[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

说明书

一种高效自供电的压电同步电荷提取与电压翻转电路属于压电能量收集领，包括启动电路模块、非线性能量提取电路模块、开关控制电路模块、开关控制电路模块、自供电模块、过压保护模块。电路初始阶段，能量存储元件通过启动电路收集能量，模式切换电路监测能量存储元件两端的电压：当电压不够时，以标准能量收集的方式收集能量；当电压足够后，通过非线性能量提取电路收集。非线性能量提取电路的开关信号由开关控制电路产生，开关控制电路工作所需的电压由能量存储元件两端的电压经DC‑DC转换获得。本发明提出的电路具有较高的输出功率以及与负载无关的优点，电路可以高效的将环境中的振动转化为电能从而为低功耗无线传感器节点供电。

技术领域

本发明属于压电能量收集领域，涉及自供电的一种新型压电能量收集电路的实现方法，尤其涉及一种高效自供电的压电同步电荷提取与电压翻转电路。

背景技术

随着传感器网络的发展，无线传感器节点广泛用于大型机械、建筑的结构健康监测。传感器网络具有节点数目多、分布广泛、部署环境复杂、维护成本高等特点。由于电池容量有限且在很多应用场合更换电池困难，收集环境中的能源用于无线传感器节点自供电成为研究热点。

现阶段振动能量收集主要有摩擦式、压电式、电磁式、磁致伸缩式等。压电能量收集具有易集成、容易做得微型化且对电子器件不产生电磁干扰等优点。由于压电能量收集器产生的电压是交变的，而电子设备所需的电压通常是稳定的直流电压，因此设计能量管理电路变得尤为重要。

最简单经典的接口电路由整流桥和滤波电容组成，称为标准能量收集电路。该电路实现了AC-DC转换但能量收集效率较低。为了提高压电能量收集效率，通过非线性开关使压电元件电压与电流同极性或增大压电元件两端的电压来提高压电输出功率的非线性能量收集技术被提出。包括串联同步开关电感电路(S-SSHI)、并联同步开关电感电路(P-SSHI)、同步电荷提取电路(SECE)。其中，SECE输出功率与负载无关，S-SSHI、P-SSHI的输出功率均与负载有关，而在阻抗匹配的条件下，S-SSHI和P-SSHI的输出功率比SECE大。为了进一步提高能量收集的效率，双同步开关接口电路(DSSH)、同步电荷提取与电压翻转电路(SCEVI)，能量注入(energy injection)等电路被提出。其中，DSSH、SCEVI的输出功率与负载无关且SCEVI的输出功率大于DSSH。专利201310535117.5公开了一种自供电式非线性压电振动能量提取电路，该电路的自供电是通过引入独立的第三压电片来实现的。《Journalof Vibroengineering》(Vol.17No.2，2015)公开了SCEVI的拓扑，该电路结合了SECE与P-SSHI。由于SCEVI需要微秒级别精准控制的开关控制电路，至今仍缺少一套SCEVI组合开关控制的实现方案。本发明提出一种SCEVI的电路实现方法，该电路提高了压电能量收集的效率并具有自供电、过压保护等功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效自供电的压电同步电荷提取与电压翻转电路。该电路能够提高压电能量的收集效率且输出功率与负载无关。同时，该电路不需要外接电源或使用额外的第三压电片供电，节省了压电材料。该电路不使用DSP或单片机也能进行组合开关的精确控制，提高了电路的实用性。

本发明采用的技术方案为：

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陶瓷片PZT1和PZT2，PZT1专用于俘能，PZT2用于检测PZT1的位移。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。