一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路

本发明涉及微电子技术，更具体地说，它涉及一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路。

背景技术：

1、经典压电能量采集接口电路的结构有：全桥整流结构(fbr)、同步开关电感(sshi)、同步电荷提取（sece）、同步开关电容(sshc)等。针对这些电路结构，通常采用开路电压比例系数法（focv）和扰动观测法（p&o）来实现最大功率点追踪。近年来的一些研究表明，采用预偏置技术能够通过提高阻尼力(damping force)来增大压电能量采集电路的输出功率。然而，在现有的相关研究中并没有提及预偏置电压的优化问题，只是简单地认为所采用的cmos工艺所能承受的最大电压就是最优电压的极限，致力于保证压电片两端电压在进行能量输出时的差值最大。经过理论分析验证，在考虑能量采集过程中所产生的功率损耗的情况下，由于导通损耗、电容预充电损耗、电感寄生电阻损耗等均与预偏置电压负相关，预偏置电压存在最优值，且该最优值可能小于工艺所能达到的最大电压。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路，对预偏置电压结构的压电接口电路中的预偏置电压进行了最优化，以保证在不同的振动条件下，压电接口电路始终能够输出最大功率。

2、本发明所述的一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路，包括压电能量采集接口模块、时间-电压转换模块、两级采样保持模块、比较器u0和dac转换模块；所述压电能量采集接口模块与压电片模型pzt电连接；

3、采集所述压电能量采集接口模块的能量输出时间thar，通过所述时间-电压转换模块将能量输出时间thar转换为电压信号vhar；

4、通过所述两级采样保持模块采样当前周期下的电压信号一以及相对于当前周期下的上一周期的电压信号二；将两个电压信号输入至比较器u0中进行比较，以获取调整信号vpm；

5、通过爬山算法对调整信号vpm进行运算处理，输出控制信号数组至dac转换模块；所述dac转换模块将所述控制信号数组转换为预偏置电压vinit。

6、所述压电能量采集接口模块包括开关一sa、开关二sb、开关三sc、开关四sd、开关五sx、开关六sy、开关七sn、开关八sp和电感l；所述电感l的一端并联连接有开关一sa、开关三sc和开关五sx，所述电感l的另一端并联连接有开关二sb、开关四sd和开关六sy；所述开关一sa和开关二sb远离电感l的一端连接有储能装置bat，所述开关三sc和开关四sd远离电感l的一端接地；所述开关五sx通过开关七sn接地，所述开关六sy通过开关八sp接地，所述开关五sx和开关七sn的连接端与压电片模型pzt的一端连接，所述开关六sy和开关八sp的连接端与压电片模型pzt的另一端连接。

7、所述开关一sa和开关四sd的开关状态一致，所述开关二sb和开关三sc的开关状态一致。

8、所述时间-电压转换模块包括场效应管一m1、场效应管二m2、固定电流源ibias、控制开关一shar和电容二char；所述场效应管一m1和场效应管二m2的源极连接，作为电源输入端；所述场效应管一m1的栅极及其漏极和场效应管二m2的栅极相互连接，且所述场效应管一m1的栅极及其漏极和场效应管二m2的栅极的连接端与固定电流源ibias连接；所述场效应管二m2的漏极通过串联连接的控制开关一shar和电容二char接地，所述控制开关一shar和电容二char的连接端作为电压信号vhar的输出端。

9、所述电压信号vhar的输出端通过控制开关二sharb接地。

10、所述两级采样保持模块包括运算放大器一u1、运算放大器二u2、时序控制开关单元一ssh、时序控制开关单元二sshr、电容三csh和电容四cshr；所述运算放大器一u1的正相输入端与电压信号vhar的输出端连接，所述运算放大器一u1的反相输入端与其输出端连接，所述运算放大器一u1的输出端通过时序控制开关单元一ssh与电容三csh的一端连接，所述电容三csh的另一端接地；所述时序控制开关单元一ssh与电容三csh的连接端与运算放大器二u2的正相输入端连接，所述运算放大器二u2的正相输入端与比较器u0的一输入端连接，所述运算放大器二u2的反相输入端与其输出端连接，所述运算放大器二u2的输出端通过时序控制开关单元二sshr与电容四cshr的一端连接，所述电容四cshr的另一端接地，所述时序控制开关单元二sshr与电容四cshr的连接端与比较器u0的另一输入端连接。

11、所述时序控制开关单元一ssh包括运算放大器三u3、控制开关三ssh3、控制开关四ssh4和控制开关五sshb；所述控制开关三ssh3的一端与运算放大器一u1的输出端连接，所述控制开关三ssh3的另一端分别与控制开关四ssh4和控制开关五sshb的一端连接，所述控制开关四ssh4的另一端与运算放大器三u3的正相输入端连接，所述控制开关四ssh4和运算放大器三u3的连接端与电容三csh连接；所述运算放大器三u3的反相输出端与其输入端连接，所述运算放大器三u3的输出端与控制开关五sshb的另一端连接。

12、所述时序控制开关单元一ssh和时序控制开关单元二sshr的电路结构一致。

13、所述dac转换模块包括复位开关rst、参考电容c0、运算放大器四u4以及数量与控制信号数组中数据个数一致的电荷分配单元sq；所述电荷分配单元sq由串联连接的电容和切换开关组成；所有所述电荷分配单元sq分为数量一致的两组，分别并联在所述参考电容c0的两端；所述运算放大器四u4的正相输入端与参考电容c0的一端连接，所述参考电容c0的另一端与复位开关rst的一端连接，所述复位开关rst的另一端作为参考电压vref的输入端，所述参考电压vref的输入端与所有切换开关的一开关端连接，所述切换开关的另一开关端接地；所述运算放大器四u4的反相输入端与其输出连接，作为预偏置电压vinit的输出端。

14、有益效果

15、本发明的优点在于：

16、1.本发明的最大功率点追踪算法通过理论计算证明输出功率与能量输出时间时长正相关，并通过功率检测、采样对比、爬山法调整预偏置电压等步骤寻找最大功率点，保证了预偏置电压始终处于最优值，能够实现预偏置结构压电能量采集电路的输出功率的最大化。与现有预偏置电压结构的压电能量采集电路不同的是，最优功率点并不是cmos工艺能够达到的最大电压，而是根据实际振动情况和电路结构自适应调整的动态电压值。

17、2.本发明的功率检测电路通过时间-电压转换模块和两级采样保持模块，通过精确的时序控制，实现了准确的功率采样和对比，保证了预偏置电压自适应调整的准确度，使得预偏置电压在一个合理的较小范围内波动变化。

技术特征：

1.一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路，其特征在于，包括压电能量采集接口模块、时间-电压转换模块、两级采样保持模块、比较器u0和dac转换模块；所述压电能量采集接口模块与压电片模型pzt电连接；

2.根据权利要求1所述的一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路，其特征在于，所述压电能量采集接口模块包括开关一sa、开关二sb、开关三sc、开关四sd、开关五sx、开关六sy、开关七sn、开关八sp和电感l；所述电感l的一端并联连接有开关一sa、开关三sc和开关五sx，所述电感l的另一端并联连接有开关二sb、开关四sd和开关六sy；所述开关一sa和开关二sb远离电感l的一端连接有储能装置bat，所述开关三sc和开关四sd远离电感l的一端接地；所述开关五sx通过开关七sn接地，所述开关六sy通过开关八sp接地，所述开关五sx和开关七sn的连接端与压电片模型pzt的一端连接，所述开关六sy和开关八sp的连接端与压电片模型pzt的另一端连接。

3.根据权利要求2所述的一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路，其特征在于，所述开关一sa和开关四sd的开关状态一致，所述开关二sb和开关三sc的开关状态一致。

4.根据权利要求1所述的一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路，其特征在于，所述时间-电压转换模块包括场效应管一m1、场效应管二m2、固定电流源ibias、控制开关一shar和电容二char；所述场效应管一m1和场效应管二m2的源极连接，作为电源输入端；所述场效应管一m1的栅极及其漏极和场效应管二m2的栅极相互连接，且所述场效应管一m1的栅极及其漏极和场效应管二m2的栅极的连接端与固定电流源ibias连接；所述场效应管二m2的漏极通过串联连接的控制开关一shar和电容二char接地，所述控制开关一shar和电容二char的连接端作为电压信号vhar的输出端。

5.根据权利要求4所述的一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路，其特征在于，所述电压信号vhar的输出端通过控制开关二sharb接地。

6.根据权利要求4所述的一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路，其特征在于，所述两级采样保持模块包括运算放大器一u1、运算放大器二u2、时序控制开关单元一ssh、时序控制开关单元二sshr、电容三csh和电容四cshr；所述运算放大器一u1的正相输入端与电压信号vhar的输出端连接，所述运算放大器一u1的反相输入端与其输出端连接，所述运算放大器一u1的输出端通过时序控制开关单元一ssh与电容三csh的一端连接，所述电容三csh的另一端接地；所述时序控制开关单元一ssh与电容三csh的连接端与运算放大器二u2的正相输入端连接，所述运算放大器二u2的正相输入端与比较器u0的一输入端连接，所述运算放大器二u2的反相输入端与其输出端连接，所述运算放大器二u2的输出端通过时序控制开关单元二sshr与电容四cshr的一端连接，所述电容四cshr的另一端接地，所述时序控制开关单元二sshr与电容四cshr的连接端与比较器u0的另一输入端连接。

7.根据权利要求6所述的一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路，其特征在于，所述时序控制开关单元一ssh包括运算放大器三u3、控制开关三ssh3、控制开关四ssh4和控制开关五sshb；所述控制开关三ssh3的一端与运算放大器一u1的输出端连接，所述控制开关三ssh3的另一端分别与控制开关四ssh4和控制开关五sshb的一端连接，所述控制开关四ssh4的另一端与运算放大器三u3的正相输入端连接，所述控制开关四ssh4和运算放大器三u3的连接端与电容三csh连接；所述运算放大器三u3的反相输出端与其输入端连接，所述运算放大器三u3的输出端与控制开关五sshb的另一端连接。

8.根据权利要求6或7所述的一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路，其特征在于，所述时序控制开关单元一ssh和时序控制开关单元二sshr的电路结构一致。

9.根据权利要求1所述的一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路，其特征在于，所述dac转换模块包括复位开关rst、参考电容c0、运算放大器四u4以及数量与控制信号数组中数据个数一致的电荷分配单元sq；所述电荷分配单元sq由串联连接的电容和切换开关组成；所有所述电荷分配单元sq分为数量一致的两组，分别并联在所述参考电容c0的两端；所述运算放大器四u4的正相输入端与参考电容c0的一端连接，所述参考电容c0的另一端与复位开关rst的一端连接，所述复位开关rst的另一端作为参考电压vref的输入端，所述参考电压vref的输入端与所有切换开关的一开关端连接，所述切换开关的另一开关端接地；所述运算放大器四u4的反相输入端与其输出连接，作为预偏置电压vinit的输出端。

技术总结
本发明公开了一种应用于压电能量采集接口的最大功率点追踪电路，涉及微电子技术。压电能量采集接口模块与压电片模型电连接；采集所述压电能量采集接口模块的能量输出时间，通过所述时间‑电压转换模块将能量输出时间转换为电压信号；通过所述两级采样保持模块采样当前周期下的电压信号一以及相对于当前周期下的上一周期的电压信号二；将两个电压信号输入至比较器中进行比较，以获取调整信号；通过爬山算法对调整信号进行运算处理，输出控制信号数组至DAC转换模块；所述DAC转换模块将所述控制信号数组转换为预偏置电压。本发明保证了预偏置电压始终处于最优值，能够实现预偏置结构压电能量采集电路的输出功率的最大化。

技术研发人员：郑彦祺,程情情,陈志坚,王杰,陶君,李斌
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12