电压同步多次翻转压电动能收集电路的制作方法

本发明涉及一种能提升压电动能收集效能的功率调理电路。

背景技术：

环境能量收集技术将周围环境中以不同物理形式存在的能量收获、集中、并转换为可利用的电能，为诸如可穿戴式健康检测/监测设备(消费级)和无线传感器网络节点的物联网设备(工业级)等低功耗设备供电。作为一种常用的机电换能器，压电材料具有机械结构简单、易于微型化以及输出电压大、有利于功率调理等优点，适用于微尺寸、低功耗的机械动能(例如人体运动或机械振动)收集应用。以往研究表明，能量收集电路的改进对压电能量收集系统俘能性能的提升具有显著作用。

压电能量收集电路至今历经了三代的发展，从使用通用桥式整流器，又名标准俘能(SEH：standard energy harvesting)电路；到具有里程碑意义的同步开关电感俘能(SSHI：synchronized switch harvesting on inductor)电路；再到近年提出的单电压源预偏置(俘能)(SSPB：single source pre-biasing)电路。后面两代的电路针对压电原件内部电容特性，有针对性地在压电元件形变极值处分别执行一次和两次的电压快速翻转。在相同振动激励下，同样的压电元件可通过使用这些电路将收集功率提升数倍之多。然而，第三代的电路必须使用一个手调直流电压源作为两次电压翻转的参考偏置电压，这种设计不利于实际应用。

本发明采用创新的电路设计，在实现自适应调节偏置电压源的同时增加了电压翻转的次数，既提升能量收集效能，又使得电压同步多次翻转电路更具有实际工程应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是：实现自适应调节偏置电压源的同时增加电压翻转的次数。

为了达到上述目的，本发明的技术方案提供了一种电压同步多次翻转压电动能收集电路，其特征包括串联的电感L、负载R_L以及电压翻转支路，其中：

电压翻转支路内部自动调节产生M个偏置电压，包括M个电子开关及用于限定输入电压翻转支路的电流流向的二极管，在输入电压翻转支路的电流从正到负过零点时，及在输入电压翻转支路的电流从负到正过零点时，M个电子开关依次在合适的时间点闭合一段特定的时间后打开，使得压电换能器输出电压同步地相对于M个偏置电压进行多次翻转。

优选地，所述电压翻转支路同时实现能量收集。

优选地，还包括独立于所述电压翻转支路的能量收集支路，能量收集支路专用于能量收集，此时，所述电压翻转支路专用于实现电压翻转功能。

优选地，所述能量收集支路包括整流桥及连接在整流桥输出端的输出滤波电容C_r。

优选地，所述电压翻转支路具有与压电换能器的输出正极电路相通的正极端及与压电换能器的输出负极电路相通的负极端，所述电压翻转支路还包括电子开关S₁、电子开关S₂、电子开关S₃、电子开关S₄、电子开关S₅、电子开关S₆、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、二极管D₅、二极管D₆、储能电容C_b，其中：

电子开关S₁与二极管D₁并联，电子开关S₂与二极管D₂串联，电子开关S₃与二极管D₃串联，电子开关S₄与二极管D₄并联，电子开关S₅与二极管D₅串联，电子开关S₆与二极管D₆串联，二极管D₁的阳极、二极管D₂的阳极、二极管D₃的阴极连接正极端，二极管D₄的阳极、二极管D₅的阳极、二极管D₆的阴极连接负极端，二极管D₁的阴极、二极管D₄的阴极连接储能电容C_b的一端，储能电容C_b的另一端连接电子开关S₂、电子开关S₃、电子开关S₅、电子开关S₆。

本发明可视为第四代的压电俘能电路，其设计的目的有两个：去掉第三代设计中(单电压源预偏置能量收集电路)使用的手调电压源，实现偏置电压的自动调节；进一步提升电路的能量收集效能。基于对一次和两次电压翻转方案的理论总结与推演，本发明提出了实现电压同步多次翻转的技术细则。在最大程度地平衡电路复杂度和能量收集效能两者的前提下，实现了一个无需额外电压源、自适应电压同步三次翻转的压电动能收集电路。

附图说明

图1(a)为串联型的电压同步多次翻转(以下简称为S-SMBF)压电动能收集电路模型；

图1(b)为并联型的电压同步多次翻转(以下简称为P-SMBF)压电动能收集电路模型；

图2(a)为S-SMBF工作特性波形图；

图2(b)为S-SMBF电压翻转瞬时放大波形图；

图2(c)为P-SMBF工作特性波形图；

图2(d)为P-SMBF电压翻转瞬时放大波形图；

图3(a)为S-SMBF工作周期图(压电原件源两端输出的电压-电荷曲线)；

图3(b)为P-SMBF工作周期图(压电原件源两端输出的电压-电荷曲线)；

图4为实施例中公开的一种并联型电压同步三次翻转(以下简称为P-S3BF)压电动能收集电路；

图5(b)、(d)、(f)、(h)、(j)为P-S3BF电路各工作过程及电流方向；

图5(a)、(c)、(e)、(g)、(i)分别为图5(b)、(d)、(f)、(h)、(j)对应的压电输出电压、电流波形；

图6(a)为P-S3BF的工作特性波形；

图6(b)为同步电压向上翻转瞬时放大图；

图6(c)为同步电压向下翻转瞬时放大图；

图7为各类典型压电俘能电路能量收集功率对比。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明所提出的电压同步多次翻转(以下简称为SMBF)压电动能收集电路模型，为未来的压电振动能量收集电路提供新的设计思路。SMBF模型通过多次的同步电压翻转提高了机电转换效率，同时降低了能量转化过程中接口电路的能量损耗，从而在相同机械激励下进一步提高压电能量收集能力和电路的输出功率。

本发明的串联型SMBF模型如图1(a)所示，并联型SMBF模型如图1(b)所示。如图2(a)至图2(d)所示，在压电换能器输出电流为零的瞬间，图1(a)及图1(b)中的开关S₊₁，S₊₂，...，V_+M依次在合适的时间点闭合一段特定的时间后打开使得压电换能器输出电压同步地相对于一系列偏置电压(V_b，1，V_b，2，...，V_b，M)进行多次翻转动作，可以获得更高的电压幅值，从而进一步提高压电源端获取的能量。

图3(a)及图3(b)为利用更加直观易懂的电路工作周期图(横轴为流出压电等效电流源的电荷，纵轴为其两端的电压)展示压电能量收集系统中各部分能量的走向。被外围黑线所包围的图形总面积为压电换能器所获取的总能量，不同灰度别为电压翻转、整流桥(二极管)和负载(俘能等效)所消耗的能量。分步多次的电压翻转使得每次电压翻转的能量耗散进一步减少，总体上降低了转换调理电路对所收集能量的热耗散(中灰色部分面积)。此外，输出电压幅值的进一步提高(所围面积的纵向长度)也意味着图3(a)及图3(b)中图形总面积的扩大，最终负载部分(即浅灰色)面积增大，能量收集能力获得进一步提高。

根据本发明所提出的SMBF模型，图4展示了其中一个应用实例：P-S3BF。本发明的主要应用于低功耗微型电子设备长时间无电池供电(如各类无线传感器)。

P-S3BF包括一个整流桥(四个二极管D_b1，D_b2，D_b3和D_b4)，输出整流电容C_r，电感L，六路限流二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆和电子开关S₁、S₂、S₃、S_S、S₅、S₆，以及提供偏置电压的辅助储能电容C_b。传统电源设计中电子开关的实现有二极管、双极型三极管(BJT)、绝缘栅型场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等。为了减少电路系统总体的功率损耗，并考虑到压电换能器较高的输出电压，可选用低电压驱动型功率MOSFET实现各个开关功能，低功耗单片机实现开关的实时控制，二极管整流桥亦可用肖特基实现更低压降的被动整流。在外部机械以恒定位振动激励的条件下，压电换能器可等效为一个电流源i_eq与内建电容C_p相并联。电路进入稳态时，输出特征波形有正负两个对称周期，具体可划分为总共十个工作阶段。

正半周期的五个工作阶段分述如下：

1.开路电压OC阶段(图5(a)、(b))：该阶段始于负半周期结束后。电压翻转支路(Bias-flip path)和能量收集支路(harvesting branch path)被阻塞。电流源i_eq向C_p正向充电，因此压电换能器输出电压v_p(C_p两端电压)从电位-V₃上升至V₀。

2.恒定电压CV阶段(图5(c)、(d))：该阶段二极管整流桥导通，i_eq流入能量收集支路。因为C_r远大于C_p，v_p被钳位至V₀。电流源i_eq在该阶段的能量收入总和与负载R_L半个机械振动周期内耗散的能量相平衡。

3.第一次电压翻转BF1阶段(图5(e)、(f))：该阶段始于i_eq从正到负过零点时。在该阶段仅有开关S₁和S₆导通。此时电压参考电平为V_b，C_p中的电荷流入到比其大得多的C_b中，直到v_p到达第一个极值V₁。电流的流向由二极管D₆所限定，因此，电流在该阶段内单向流动直到该阶段结束时趋于零。C_b在该阶段吸收部分来自C_p的能量。

4.第二次电压翻转BF2阶段(图5(g)、(h))：该阶段紧接着BF1阶段。在该阶段仅有开关S₄导通，电流方向由二极管D₁所限定，且与上一阶段方向一致。C_p中的电荷流向零电位。v_p极性反转，C_b无能量变化。

5.第三次电压翻转BF3阶段(图5(i)、(j))：该阶段紧接着BF2阶段。在该阶段仅有开关S₂和S₄导通。电流的流向由二极管D₂所限定。此时电压参考电平为-V_b，通过将一部分电荷从C_b注入到C_p中，可将v_p驱至一个更低的电压值V₃。

经过上述正半周期的五个工作阶段，接下来的负半周期亦有类似的五个工作阶段。值得注意的是，在BF1阶段C_b从C_p所吸收的能量与在BF3阶段C_b向C_p所注入的能量相等。而在BF2阶段C_b无能量变化。因此在电路进入稳定工作状态后，C_b在每个周期的净能量输入为零，且能自适应地根据外界机械激励的情况，为三次电压翻转提供最佳的偏置电压。

对基于上述设计原理的P-S3BF电路原型板稳态工作特征波形的实验测试结果与设计目标吻合，各工作阶段的同步电压翻转达到设计要求(如图6(a)至图6(c)所示)。图7对比展示了不同压电俘能电路，在实验测试中输出功率(能量收集功率)随输出电压变化的情况。本设计所提出的P-S3BF电路在综合平衡电路复杂度与提升能量收集功率两个方面下，将收集效能提升至P-SSHI电路的125％，标准桥式整流电路的387％，相对于现有的压电俘能电路，有效地提升了收集效能，具有相当的实际意义。