一种用于压电振动俘能的自适应功率调理电路的制作方法

本发明属于压电振动能量收集领域，特别是涉及一种用于压电振动俘能的自适应功率调理电路。

背景技术

通过压电悬臂梁将自然环境中的机械振动能量转化为电能为微型传感器节点供电是一个热点研究方向。常见的压电悬臂梁在实际应用中其主要的限制是：当环境中的振动频率偏离压电悬臂梁的固有频率时候，压电悬臂梁的输出功率会急剧下降，从而限制了压电悬臂梁的宽频应用。传统的桥式整流器由于无法调节输出电流和压电悬臂梁端口电压相位，在整流过程中存在电荷的浪费，因此无法提高固有振动频率之外的输出功率。

自适应功率调理电路作为一种非线性技术可以调节压电悬臂梁的输出电流与输出电压相位关系，从而提高在压电悬臂梁固有频率外的输出功率。

技术实现要素：

针对传统桥式整流电路存在电荷浪费的问题，本发明公开了一种用于压电振动俘能的自适应功率调理电路，可以根据外界振动频率实时控制电压翻转过程。通过自适应控制电压翻转过程，可以调节压电能量收集器件的输出电流与输出电压相位关系，减少电荷传输过程中的浪费，从而提高在器件固有频率外的输出功率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的用于压电振动俘能的自适应功率调理电路，包括并联同步开关电感整流电路和零点开关控制电路，所述并联同步开关电感整流电路由并联同步开关电感电路和桥式整流电路并联组成，所述零点开关控制电路由电流零点跟踪电路、比较器电路和d触发器组成；

所述并联同步开关电感电路由电感和开关支路串联构成，所述开关支路包括两条并联的支路，其中一条支路由第五号二极管和pmos开关串联而成，另一条支路由第六号二极管和nmos开关串联而成；所述桥式整流电路由四个二极管和一个整流电容构成；

所述电流零点跟踪电路包括第七号二极管和第八号二极管，所述第七号二极管的负极和第八号二极管的负极均经第三电阻接地，所述第七号二极管正极经第一电阻连接至压电悬臂梁等效电路模型的输出电压负极端，所述第八号二极管正极经第二电阻连接至压电悬臂梁等效电路模型的输出电压正极端；

所述比较器电路包括电压比较器，所述电压比较器的同相输入端用于输入固定参考电压，所述电压比较器的反相输入端连接电流零点跟踪电路中第八号二极管的负极端，所述电压比较器的输出端连接d触发器，所述d触发器连接pmos开关和nmos开关。

所述d触发器的数据输入端口分别连接pmos开关栅极和nmos开关栅极，所述d触发器的互补输出端口分别连接pmos开关栅极和nmos开关栅极，所述d触发器的时钟输入端口连接比较器电路中电压比较器的输出端，所述d触发器的清零端口和预置端口均接地。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明公开的一种用于压电振动俘能的自适应功率调理电路，可以根据外界振动频率实时控制电压翻转过程。通过自适应控制电压翻转过程，可以调节压电悬臂梁的输出电流与输出电压相位关系，减少电荷传输过程中的浪费，从而提高在压电悬臂梁固有频率外的输出功率。

附图说明

图1是本发明自适应功率调理电路示意图；

图2是本发明自适应功率调理电路的对应电压电流波形示意图；

图3是本发明自适应功率调理电路实验测试示意图；

图4是本发明述自适应功率调理电路与传统桥式整流电路收集能量对比图。

附图标记:av(t)压控电压源，ais(t)流控电流源，lm等效电感，cm等效电容，rm等效电阻，vf(t)电压源，cmc压电悬臂梁电容，l电感，s1pmos开关，s2nmos开关，crect整流电容，d1第一号二极管，d2第二号二极管，d3第三号二极管，d4第四号二极管，d5第五号二极管，d6第六号二极管，d7第七号二极管，d8第八号二极管，u1d触发器，u2电压比较器，r1第一电阻，r2第二电阻，r3第三电阻，gnd地。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明的用于压电振动俘能的自适应功率调理电路，包括并联同步开关电感整流电路和零点开关控制电路，所述并联同步开关电感整流电路由并联同步开关电感电路和桥式整流电路并联组成，所述零点开关控制电路由电流零点跟踪电路、比较器电路和d触发器组成。

所述并联同步开关电感整流电路与压电悬臂梁等效电路模型的输出端连接，所述压电悬臂梁等效电路模型包括压控电压源av(t)和流控电流源ais(t)，所述压控电压源av(t)的正极和负极之间串联有等效电感lm、等效电容cm、等效电阻rm和电压源vf(t)，所述流控电流源ais(t)两端之间并联有压电悬臂梁电容cmc。其中，等效电感lm代表压电悬臂梁的等效质量，等效电容cm代表压电悬臂梁的机械刚度，等效电阻rm代表机械阻尼，电压源vf(t)代表压电悬臂梁的等效输入应力，a代表压电悬臂梁的压电耦合系数。

所述并联同步开关电感电路由电感l和开关支路串联构成，所述开关支路包括两条并联的支路，其中一条支路由第五号二极管d5和pmos开关s1串联而成，另一条支路由第六号二极管d6和nmos开关s2串联而成。其中，第五号二极管d5正极与电感l连接，负极与pmos开关s1漏极连接；第六号二极管d6正极与nmos开关s2漏极连接，负极与电感l连接。所述桥式整流电路由四个二极管和一个整流电容crect构成，四个二极管分别为第一号二极管d1、第二号二极管d2、第三号二极管d3和第四号二极管d4，其中，第一号二极管d1和第四号二极管d4导通时，第二号二极管d2和第三号二极管d3截止；第二号二极管d2和第三号二极管d3导通时，第一号二极管d1和第四号二极管d4截止。电感l可以取值1mh。

所述电流零点跟踪电路包括第七号二极管d7和第八号二极管d8，所述第七号二极管d7的负极和第八号二极管d8的负极均经第三电阻r3接地gnd，所述第七号二极管d7正极经第一电阻r1连接至压电悬臂梁等效电路模型的输出电压负极端vp-，所述第八号二极管d8正极经第二电阻r2连接至压电悬臂梁等效电路模型的输出电压正极端vp+。其中，第一电阻r1和第二电阻r2均可取值为1k，第三电阻r3可取值为500ω。

所述比较器电路包括电压比较器u2，所述电压比较器u2的同相输入端用于输入固定参考电压vref，所述电压比较器u2的反相输入端连接电流零点跟踪电路中第八号二极管d8的负极端。所述电压比较器u2的输出端连接d触发器u1，所述d触发器u1连接pmos开关s1和nmos开关s2。

所述d触发器u1的数据输入端口d分别连接pmos开关s1栅极和nmos开关s2栅极，所述d触发器u1的互补输出端口分别连接pmos开关s1栅极和nmos开关s2栅极，所述d触发器u1的时钟输入端口clk连接比较器电路中电压比较器u2的输出端，所述d触发器u1的清零端口clr和预置端口pre均接地gnd。

图2为所述自适应功率调理电路的对应电压电流波形示意图。所述并联同步开关电感电路工作方式为：当电压vsw(电压vsw为mos开关控制电压)为高电平或者低电平时，nmos开关支路或pmos开关支路导通，电感l和压电悬臂梁电容cmc构成高频lc谐振回路，同时该lc谐振回路开始振荡；经过1/2个振荡周期后，压电悬臂梁电容cmc上的电压由原始电压值翻转成原始电压值的相反数，由于二极管具有单向导通特性，1/2个振荡周期后流过电感l的电流被二极管阻断，因此高频lc谐振回路只发生1/2个振荡周期的谐振。经过电压翻转后，压电悬臂梁输出电流与输出电压同相，从而提高输出功率。对于实际电路元件，由于寄生电阻存在，翻转后的电压幅值会低于翻转前的初始幅值。

所述零点开关控制电路为并联同步开关电感电路提供精确的开关脉冲信号vsw，脉冲发生时刻为电流is每次流过零点，脉冲高电平时间为l-cmc谐振电路谐振周期的一半。所述电流零点跟踪电路由两路二极管和限流电阻组成，每一路分别与压电悬臂梁输出电压vp+和vp-相连。二极管将压电悬臂梁输出电流is部分引流并整流，之后整流电流流过第三电阻r3，第三电阻r3上压降vzero的最小值表示压电悬臂梁输出电流is的零点。所述比较器电路将压电悬臂梁输出电流过零点时压降vzero的最小值转化为输出脉冲信号vcomp，所述电压vzero与比较器反相输入端连接，比较器同相输入端为固定参考电压vref＝50mv，vcomp的上升沿即为电流过零点时刻，但vcomp的高电平时间是不确定的。所述d触发器u1可以将vcomp脉冲信号转换成占空比50％周期为外部正弦振动周期相同的脉冲信号vsw。综上，在任何正弦振动频率下，零点开关控制电路最终为偏置翻转开关提供精确的开关脉冲信号vsw。

实施例：

具体实施例的实验装置如图3所示，包括：数字示波器、函数信号发生器、自适应功率调理电路、功率放大器、压电悬臂梁ppa2014、振动台、驱动电源等。其中压电悬臂梁通过夹钳固定在振动台上。

所述具体实施例中振动频率范围为70-160hz，加速度为1g。电感l采用1mh低串联电阻电感18105c，pmos开关s1采用ao6407，nmos开关s2采用ao6408，第一号二极管d1、第二号二极管d2、第三号二极管d3、第四号二极管d4、第五号二极管d5、第六号二极管d6、第七号二极管d7、第八号二极管d8均采用肖特基二极管bat54，电压比较器u2为tlv3492，d触发器u1为74hc74。图4是所述自适应功率调理电路与传统桥式整流电路收集能量对比图。图4表明当采用所述自适应功率调理电路后收集功率带宽比采用传统桥式整流电路后收集功率带宽高。结果表明自适应功率调理电路作为一种非线性技术可以调节压电悬臂梁的输出电流与输出电压相位关系，从而提高在压电悬臂梁固有频率外的输出功率。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。