[发明专利]一种高效自供电的压电同步电荷提取与电压翻转电路

权利要求书

1.一种高效自供电的压电同步电荷提取与电压翻转电路，该电路采用两片同位配置的压电片PZT1和PZT2，PZT1专用于俘能，PZT2用于检测PZT1的位移，其特征在于，所述的压电同步电荷提取与电压翻转电路包括：用于为开关控制电路(5)提供初始工作电压的启动电路(1)；用于在标准和SCEVI之间切换的模式切换控制电路(2)；用于电压调整的DC-DC电路(3)；基于SCEVI的非线性能量提取电路(4)；用于为非线性能量提取电路(4)提供开关控制信号的开关控制电路(5)；过压检测与保护电路(6)；

初始阶段，启动电路(1)以标准能量收集方式收集PZT1的能量，为能量存储元件充电；模式切换控制电路(2)监测能量存储元件的电压，当电压达到高阈值后，模式切换控制电路(2)断开SW1，能量存储元件的电压经DC-DC电路(3)后为开关控制电路(5)提供所需的直流电压，开关控制电路(5)为非线性能量提取电路(4)提供开关控制信号，模式切换控制电路(2)将标准能量收集模式切换为非线性能量收集模式；当过压检测与保护电路(6)检测到能量存储元件的电压高于设定值时，切断模式切换控制电路(2)和DC-DC电路(3)，并将能量存储元件的电压稳定在设定值；启动电路(1)先为开关控制电路(5)提供所需的初始启动电压，电路稳定工作后，再由非线性能量提取电路(4)为开关控制电路(5)和负载供电，实现自供电；

所述的启动电路(1)，包括：整流桥，由Nmos管M1、M2组成的开关SW1，电阻R1与电容C6组成的标准能量收集电路，保证电压单向传输的二极管D1；在电路启动阶段，PZT1的能量经整流桥、闭合的开关SW1后通过电阻R1为电容C6充电，C6上的电流通过二极管D1流向储能电容C7；所述的M1的栅极与模式切换控制电路(2)中比较器U2输出的开关控制信号VH相连；

所述的模式切换控制电路(2)，包括：基准电压芯片U1，比较器U2，分压电阻R6、R7，基准电压芯片U1的分压电阻R8、R9、R10，滤波电容C1，Nmos管M3与Pmos管M4构成的开关，用于改变阈值的Nmos管M5；所述的R6、R7对储能电容C7上的电压分压并将R7上的电压取至比较器U2的同相端，基准电压源U1将储能电容C7上的电压转换为稳定基准直流电压后经R8、R9、R10分压，并将R9、R10上的电压取至比较器U2的反相端；比较器U2的输出为VH，作为M3、M4组成的开关的控制信号；Pmos管M4的源极通过过压保护电路(6)的常闭Pmos开关管M12与储能电容C7的正极相连，Pmos管M4的漏极一路接DC-DC电路(3)的输入端，一路接Nmos管M5的栅极，Nmos管M5的漏源极与电阻R10并联；

所述的DC-DC电路(3)，包括：低压差线性稳压器芯片U3，稳压充电泵负输出转换器U4，滤波电容C2、C3、C4；所述的U3、U4的输入端均通过开关M12和开关M4与储能电容C7相连；U3、U4的功能是产生用于为开关控制电路(5)以及负载供电的直流正、负电压；

所述的非线性能量提取电路(4)，包括：整流桥，开关SW3、SW4和电感L3、L4构成的电压翻转电路，开关SW2、变压器L1-L2构成的电荷提取电路；所述的电感L3两端分别与PZT1正极、开关SW3相连，SW3由Nmos管M8、Pmos管M9、二极管D8、电阻R15、R16组成，SW3受开关控制电路(5)中与门A11的输出CV+控制；当CV+为高电平时，开关管M8、M9导通，L3接在压电元件两端起正电压翻转的作用；所述的电感L4一端接PZT1负极，另一端与开关SW4相连，SW4由Nmos管M6、Pmos管M7、二极管D7、电阻R13、R14组成，受开关控制电路(5)中与门A13的输出CV-控制；当CV-为高电平时，开关管M6、M7导通，L4接在压电元件两端起负电压翻转的作用；在整流桥后由变压器的原边电感L1与开关SW2相连构成同步电荷提取电路，SW2由Nmos管M10、Pmos管M11、栅源极间电阻R4、R5组成，受开关控制电路(5)中异或门A8的输出CV控制，当CV为高电平时，开关管M10、M11导通，电感L1提取能量；同步电荷提取电路的L1通过变压器耦合与电感L2相连，L2与D6、C7构成放电回路，能量最终存储在储能电容C7中；另外，由于D1正极与C6相连，负极与C7相连，该方式有效的实现了能量流动的单向性；

所述的开关控制电路(5)，包括：峰值检测电路一路与双边沿控制电路连接，产生开关SW2的控制信号；峰值检测电路另一路与方波延时电路连接，由正电压翻转控制电路产生SW3的控制信号，由负电压翻转控制电路产生SW4的控制信号；

所述的过压保护电路(6)，包括：基准电压芯片U1，分压电阻R6、R7、R24、R25，比较器U7，Pmos管M12，放电电阻R26；通过电阻R24、R25对基准芯片U1输出的电压分压设定阈值，R6、R7对储能电容C7两端的电压分压，并将R7的电压引入比较器U7的同相输入端，将R25的电压引入比较器U7的反相输入端，比较器U7的输出与放电电阻R26以及Pmos开关管M12的栅极相连；当储能电容上的电压超过设定的上限电压时，常闭开关管M12被断开，储能电容上的电压通过比较器输出电阻R27对地放电，保护电路。