[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

摘要

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。

主权项

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。