振动能量采集电路的制作方法

本发明涉及能量采集技术领域，特别是涉及一种振动能量采集电路。

背景技术：

大自然环境中存在着各种各样能量，比如风能、太阳能、振动能、射频能等等，能量采集器可以采集环境中的能量转换为电能；由于风能、太阳能、射频能受到环境、气候的影响，因而振动能的应用更为广泛。

振动能量的采集方式一般有三种：电磁式、静电式、压电式，这三种都有自己特点与特定应用领域。传统的标准能量采集器通常包括压电陶瓷pzt、整流桥整流、电容滤波三个部分，压电陶瓷pzt被施加振动后产生交流电，交流电经过二极管构成的整流桥变成直流电，再经过滤波电容变成稳压，供负载使用。然而，这种结构的能量采集器只有在连接的负载为最优负载时，输出功率才能达到最大值，因此电能转化效率低，从而能量提取效率低。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的标准能量采集器能量提取效率低的问题，提供一种能量提取效率高的振动能量采集电路。

一种振动能量采集电路，包括能量转换器、第一开关电路、第二开关电路、第三开关电路、辅助电路和转移电路，所述能量转换器连接所述第一开关电路、所述辅助电路和所述第二开关电路，所述辅助电路连接所述第一开关电路形成第一电结点，所述辅助电路连接所述第二开关电路形成第二电结点，所述第三开关电路分别连接所述第一电结点和所述第二电结点，以及连接所述转移电路，所述转移电路用于连接负载；

所述第一开关电路、所述第三开关电路和所述辅助电路构成第一双开关结构，所述辅助电路、所述第三开关电路和所述第二开关电路构成第二双开关结构，所述能量转换器将振动能转换为交流电信号，所述交流电信号的第一方向的电信号经过导通后的第一双开关结构到达所述转移电路，所述交流电信号的第二方向的电信号经过导通后的第二双开关结构到达所述转移电路，所述转移电路存储能量后转移能量至所述负载。

上述振动能量采集电路，第一开关电路、第三开关电路和辅助电路组成一个双开关结构，对能量转换器转换振动能得到的交流电信号的第一方向的电信号进行采集，同时辅助电路、第三开关电路和第二开关电路组成另一个双开关结构，对交流电信号的第二方向的电信号进行采集，两个双开关结构采集的电信号由转移电路进行能量存储后供给负载；通过采用双开关结构的电路，振动能量采集电路的输出功率可基本保持不变，不随负载的阻值发生突变，因此最佳负载区间更宽泛，电能转换效率高，从而可提高能量提取效率。

附图说明

图1为一实施例中振动能量采集电路的电路结构图；

图2为传统的能量采集器的电路结构图；

图3为压电陶瓷两端的压电电压、压电位移、压电电流的波形图；

图4为一应用例中元器件参数的数值设置示意图；

图5为一应用例中标准能量提取电路与双同步开关电感提取电路的电压特性对比图；

图6为一应用例中标准能量提取电路与双同步开关电感提取电路的功率对比图。

具体实施方式

参考图1，一实施例中的振动能量采集电路，包括能量转换器110、第一开关电路120、辅助电路130、第二开关电路140、第三开关电路150和转移电路160。能量转换器110连接第一开关电路120、辅助电路130和第二开关电路140，辅助电路130连接第一开关电路120形成第一电结点j1，辅助电路130连接第二开关电路140形成第二电结点j2，第三开关电路150分别连接第一电结点j1和第二电结点j2，以及连接转移电路160，转移电路160用于连接负载rl。

第一开关电路120、第三开关电路150和辅助电路130构成第一双开关结构，辅助电路130、第三开关电路150和第二开关电路140构成第二双开关结构，能量转换器110将振动能转换为交流电信号，交流电信号的第一方向的电信号经过导通后的第一双开关结构到达转移电路160，交流电信号的第二方向的电信号经过导通后的第二双开关结构到达转移电路160，转移电路160存储能量后转移能量至负载rl。

其中，能量转换器110转换振动能得到的交流电信号包括正、负两个方向的周期信号。具体地，能量转换器110设有正端和负端，第一开关电路120、辅助电路130和第二开关电路140连接能量转换器110的端口决定交流电信号的第一方向和第二方向是正还是负。例如，若第一开关电路120和第二开关电路140连接能量转换器110的正端、辅助电路130连接能量转换器110的负端，则交流电信号的第一方向的电信号为正方向的电信号，对应第二方向的电信号为负方向的电信号，如图1所示；若第一开关电路120和第二开关电路140连接能量转换器的负端、辅助电路130连接能量转换器110的正端，则交流电信号的第一方向的电信号为负方向的电信号，对应第二方向的电信号为正方向的电信号。

上述振动能量采集电路，第一开关电路120、第三开关电路150和辅助电路130组成一个双开关结构，对能量转换器110转换振动能得到的交流电信号的第一方向的电信号进行采集，同时辅助电路130、第三开关电路150和第二开关电路140组成另一个双开关结构，对交流电信号的第二方向的电信号进行采集，两个双开关结构采集的电信号由转移电路160进行能量存储后供给负载rl；通过采用双开关结构的电路，振动能量采集电路的输出功率可基本保持不变，不随负载rl的阻值发生突变，因此最佳负载区间更宽泛，电能转换效率高，从而可提高能量提取效率。

此外，上述振动能量采集电路的输出电压与输出功率比传统的振动能量采集电路的输出电压和输出功率更高，在能量采集中应用优势更为明显；双开关结构的振动能量采集电路还具有更适合低电耦合状态、适合电池充电的优点。

在一实施例中，第一方向的电信号输出至第一开关电路120，第一开关电路120在第一方向的电信号的电压幅值满足第一预设条件时导通并输出电压至第三开关电路150，第三开关电路150在输入的电压满足第二预设条件时导通并输出电压至转移电路160和辅助电路130，此时第一双开关结构导通，使转移电路160进行能量存储；第三开关电路150在输入的电压满足预设截止条件时断开。

其中，第一预设条件、第二预设条件和预设截止条件根据电路中选择的电路元器件的数值和电路结构预先确定，比如，第一预设条件、第二预设条件和预设截止条件可以分别是某一个预设的电压幅值。

第二方向的电信号通过辅助电路130输出至第三开关电路150，第三开关电路150在第二方向的电信号的电压幅值满足第三预设条件时导通并输出电压至转移电路160和第二开关电路140，第二开关电路140在输入的电压满足第四预设条件时导通，此时第二双开关结构导通，使转移电路160进行能量存储；第三开关电路150在第二方向的电信号的电压幅值满足预设截止条件时断开。

同理，第三预设条件和第四预设条件可以分别是某一个预先确定的电压幅值。具体地，第三预设条件与第二预设条件可以相同也可以不同。

转移电路160在第三开关电路150断开时将存储的能量转移输出给负载rl。通过转移电路160能量存储、在第三开关电路150断开时将存储的能量输出至负载rl，实现能量转移。

在一实施例中，能量转换器110为压电陶瓷。参考图1，压电陶瓷的电路等效模型包括相互并联在一起的一个电流源ig、夹持电容cp和等效阻抗rp。压电陶瓷敏感性强，可以将极其微弱的振动能转换成电能，通过采用压电陶瓷可提高能量转换的灵敏性。

此外，上述振动能量采集电路的双开关结构可以增大压电陶瓷的压电幅度，使压电陶瓷输出更多的能量供电路进行采集。

以具体的一个传统的能量采集器结构为例，说明本发明的振动能量采集电路的优势。参考图2，为传统的能量采集器的结构图，采用压电陶瓷感应振动能并转换为交流电信号；参考图3，为压电陶瓷两端的压电电压vp、压电位移u(t)、压电电流的i(t)波形图；根据系统压电振子系统方程：

θu'(t)-cpvp'(t)＝i(t)(3-1)；

可以推导出负载rl两端的电压与功率。当电路稳定时，在半个周期内，流过电容cr的电荷值为零，则压电陶瓷出来的电荷就等于负载得到的电荷，可得：

把公式(3-1)带入公式(3-2)进去，得到如下结果：

整理得到：

通过接不同的负载，可得到最优负载与最大功率：

式中，u(t)为t时刻压电陶瓷的压电位移，vp(t)为t时刻压电陶瓷两端的压电电压，i(t)为t时刻压电陶瓷的压电电流；vdc为负载rl两端的电压，rrl为负载rl的阻值，t/2为交流电信号的半周期时长，比如第一方向的电信号所占的时长；θ为压电系数，w为压电陶瓷的角频率，um为振动时的最大位移，cp为压电陶瓷的寄生电容；pseh为负载rl两端的输出功率，rout为最优负载的阻值，pmax为输出的最大功率。

由此可知，传统的能量采集器限定有最优负载和最大功率输出，只有在连接的负载为最优负载时，输出功率才能达到最大值。参考图1，本发明的上述振动能量采集电路中，采用压电陶瓷时，负载的功率与负载的电压表达式为：

式中，θ为压电陶瓷的压电系数，w为压电陶瓷的角频率，um为振动时的最大位移，cp为压电陶瓷的寄生电容，λ是电感翻转因子，vdssh为负载rl的电压，pdssh为负载rl的功率。

由公式可知，pdssh基本保持不变，即负载rl的功率不变，不随负载rl的阻值发生突变，电能转换效率高。此外，当λ取0.8时，可以得到pdssh大于pmax，可见上述振动能量采集电路的输出功率可高于传统的能量采集器的输出功率。

在一实施例中，继续参考图1，第一开关电路120包括第一开关管t1、第二开关管t2、第一二极管d1、第二二极管d2和第一充放电电容c1。

第一二极管d1的正极、第一开关管t1的控制端和第二二极管d2的正极均连接能量转换器110一端，第一二极管d1的负极连接第一充放电电容c1的一端，且公共端连接第一开关管t1的输入端，第一充放电电容c1的另一端连接能量转换器110另一端和辅助电路130。第一开关管t1的输出端连接第二开关管t2的控制端，第二二极管d2的负极连接第二开关管t2的输入端，第二开关管t2的输出端通过第一电结点j1连接第三开关电路150和辅助电路130。具体地，本实施例中，第一充放电电容c1连接能量转换器110和辅助电路130的公共端接地。

通过采用第一开关管t1、第二开关管t2、第一二极管d1、第二二极管d2和第一充放电电容c1构成第一开关电路120，在第一二极管d1和第二二极管d2的单向到导通作用下，能量转换器110输出的电能给第一充放电电容c1充电，在第一方向的电信号的电压幅值满足第一预设条件时，第一充放电电容c1放电使第一开关管t1和第二开关管t2导通，从而第一开关电路120导通，输出电压至第三开关电路150；如此，可方便地实现第一开关电路120的导通控制。

具体地，第一开关电路120还可以包括第一保护电阻r1，第一二极管d1通过第一保护电阻r1连接能量转换器110。第一保护电阻r1对后面连接的电路元件起到保护作用，可提高振动能量采集电路的使用性能。

具体地，第一二极管t1为pnp三极管，第二二极管t2为npn三极管。第一二极管t1的输入端、输出端和控制端分别为pnp三极管的发射极、集电极和基极；第二二极管t2的输入端、输出端和控制端分别为npn三极管的集电极、发射极和基极。

在一实施例中，辅助电路130包括第三二极管d3、第四二极管d5和第一电感l1。第三二极管d3的正极连接第四二极管d5的负极，且公共端连接第一电感l1一端，第三二极管d3的负极通过第一电结点j1连接第一开关电路120和第三开关电路150；第四二极管d5的正极通过第二电结点j2连接第二开关电路140和第三开关电路150；第一电感l1另一端连接第一开关电路120和能量转换器110，且连接第二开关电路140。具体地，本实施例中，第一电感l1连接能量转换器110的一端接地；第一电感l1连接第一充放电电容c1。

第三二极管d3、第四二极管d5和第一电感l1构成的辅助电路130利用二极管的单向导通作用可辅助第一方向的电信号和第二方向的电信号下进行能量转移，结构简单。具体地，在交流电信号的第一方向的电信号下，第三开关电路150导通后输出电压经过第四二极管d5和第一电感l1；交流电信号的第一方向的电信号经过第一电感l1、第三二极管d3到达第三开关电路150。

在一实施例中，第二开关电路140包括第三开关管t3、第四开关管t4、第五二极管d4、第六二极管d6和第二充放电电容c2。

第五二极管d4的负极、第四开关管t4的控制端和第六二极管d6的负极均连接能量转换器110一端；第五二极管d4的正极连接第三开关管t3的输出端，第三开关管t3的控制端连接第四开关管t4的输入端，第三开关管t3的输入端通过第二电结点j2连接辅助电路130和第三开关电路150；本实施例中，第三开关管t3的输入端具体连接第四二极管d5的正极。第四开关管t4的输出端连接第六二极管d6的正极，且公共端连接第二充放电电容c2一端，第二充放电电容c2另一端连接辅助电路130，本实施例中，第二充放电电容c2具体连接第一电感l1远离第三二极管d3和第四二极管d5的一端。

通过采用第三开关管t3、第四开关管t4、第五二极管d4、第六二极管d6和第二充放电电容c2构成第二开关电路120，可方便地实现第二开关电路140的导通控制，且结构简单。

具体地，第二开关电路140还包括第二保护电阻r2，第六二极管d6的负极通过第二保护电阻r2连接能量转换器110。第一保护电阻r2对后面连接的电路元件起到保护作用，可进一步提高振动能量采集电路的使用性能。

在一实施例中，第三开关电路150包括第五开关管t5、第六开关管t6、第七二极管d7、第八二极管d8、第三充放电电容c3和第三保护电阻r3。

第七二极管d7的正极、第五开关管t5的控制端和第八二极管d8的正极均通过第一电结点j1连接第一开关电路120和辅助电路130；本实施例中，具体通过第一电结点j1连接第二开关管t2的输出端和第三二极管d3的负极。第七二极管d7的负极连接第三充放电电容c3的一端，且公共端连接第五开关管t5的输入端，第三充放电电容c3的另一端通过第二电结点j2连接第二开关电路140、辅助电路130和转移电路160；本实施例中，第三充放电电容c3的另一端具体通过第二电结点j2连接第四二极管d5的正极与第三开关管t3的输入端。第五开关管t5的输出端连接第六开关管t6的控制端，第八二极管d8的负极连接第六开关管t6的输入端，第六开关管t6的输出端连接转移电路160。

通过采用第五开关管t5、第六开关管t6、第七二极管d7、第八二极管d8、第三充放电电容c3和第三保护电阻r3构成第二开关电路120，可方便地实现第三开关电路150的导通控制，且结构简单。

在一实施例中，转移电路160包括滤波电容c4、续流二极管d9和第二电感l2。第二电感l2一端连接滤波电容c4一端，且公共端连接第三开关电路150，本实施例中，第二电感l2和滤波电容c4的公共端具体连接第六开关管t6的输出端。第二电感l2另一端连接续流二极管d9的正极，且公共端通过第二电结点j2连接第三开关电路150、第二开关电路140和辅助电路130，本实施例中，第二电感l2和续流二极管d9的公共端具体连接第三充放电电容c3、第三开关管t3的输入端和第四二极管d5的正极。滤波电容c4另一端连接续流二极管d9的负极，负载rl用于并联在滤波电容c4两端。

第二电感l2用于储存能量，在第三开关电路150断开后，第二电感l2中的能量通过续流二极管d9、经过滤波电容c4后转移到负载rl；如此，可方便地实现能量的转移。

上述振动能量采集电路的整个电路工作原理为：能量转换器110将振动能转换为一定频率、一定幅度的正弦波的交流电信号。在一个周期内，处在正半周期中，电压幅值的变化等于零时，即位移幅度达到正向最大值，也意味着压电陶瓷两端电压也达到最大值vp，第一充放电电容c1两端电压为vp-vd(vd表示二极管正向导通压降)；当压电元件的电容电压减少到vp-vd-vbe时，(vbe表示三极管基极与发射极之间的压降)，第一开关管t1导通，使第一充放电电容c1开始放电，由于第一二极管d1存在，反向截止，使第一充放电电容c1两端的电荷流向第一开关管t1，从而使第二开关管t2导通，电流流向第二开关管t2，使第三充放电电容c3两端的电压开始增大。当第三充放电电容c3电压达到最大值时，第五开关管t5、第六开关管t6导通，把压电陶瓷输出的能量储存在第二电感l2中，同时使压电陶瓷输出的电压也发生翻转，此时第一充放电电容c1通过第一开关管t1、第二开关管t2、第八二极管d8、第六开关管t6、第二电感l2、第四二极管d5、第一电感l1开始放电，第三充放电电容c3通过第五开关管t5、第六开关管t6、第二电感l2开始放电；能量转移完后，第三开关电路150断开，储存在第二电感l2中的能量通过续流二极管d9，再经过滤波电容c4转移到负载rl上。

在负半周期中，当电压幅值变化为零时，即位移达到反方向的最大值，同时意味着压电陶瓷两端的电压达到负方向的数值最大值，电流流过第一电感l1、第三二极管d3。当电压幅值满足第三预设条件时，第五开关管t5、第六开关管t6导通，电流流向第二电感l2，再通过第二开电路140，当压电陶瓷两端的电压增大到-(vp-vd-vbe)时，第三开关管t3、第四开关管t4导通，此时第二充放电电容c2通过第一电感l1、第三二极管d3、第八二极管d8、第六开关管t6、第二电感l2、第三开关管t3、第四开关管t4开始放电；第三充放电电容c3通过第五开关管t5、第六开关管t6、第二电感l2开始放电，同时压电陶瓷与第二电感l2构成回路，将能量转移到第二电感l2中，并且使压电陶瓷两端电压发生翻转；能量转移完后，第三开关电路150断开，储存在第二电感l2中的能量通过续流二极管d9，再经过滤波电容c4，转移到负载rl上。

为更好地说明上述振动能量采集电路的优势，一应用例采用上述振动能量采集电路和传统的能量采集器进行实验测试，在tina软件中完成。设置能量转换器的等效模型中电流源ig的幅度为80ua，频率50hz，元器件参数设置如图4所示，传统的能量采集器为标准能量提取电路，本发明的振动能量采集电路为双同步开关电感提取电路，分别测试得到标准能量提取电路与双同步开关电感提取电路的电压随负载rl变化时的电压特性如图5所示，并且测试得到功率随负载rl变化的特性如图6所示。由此可知，本发明的振动能量采集电路输出的电压比传统的能量采集器输出电压高，且在功率稳定性好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。