一种基于翻转电容复用技术的多压电源能量收集前端电路

本发明属于压电能量收集领域，尤其涉及一种基于翻转电容复用技术的多压电源能量收集前端电路。

背景技术：

1、集成电路的快速发展使得无线传感器网络技术日益成熟，并广泛应用于生物医疗与健康检测、可穿戴设备、汽车、智慧建筑、桥梁监测等领域，提高了各领域的生产效率同时为生产生活提供了极大便利。在上述这些应用中，每立方厘米体积的锂电池，只能维持平均功率为100uw的负载工作一年时间，为延长电池寿命，传统的方案是通过增加电池容量，但这会面临系统安全性和尺寸的约束。尤其是在体内植入设备、可穿戴设备等的应用场景。尽管更换电池可进一步延长系统寿命，但在某些场景下电池更换面临巨大的挑战。这与体内植入设备、可穿戴设备等的应用场景相冲突，且某些场景下电池更换不变甚至无法更换，在上述应用场景下单纯依靠电池会限制传感器节点的尺寸和使用时间，并增加维护成本。

2、在此背景下，收集传感器周围的环境能量来维持传感器节点在整个工作周期内的正常工作，能够有效缩小电池的体积，或者实现传感器节点无需电池的自供电工作。现有的可利用的能量形式包括太阳能、热能、射频（rf）能、振动能、风能等，其中振动能可由压电换能器转化为电能并具有高输出电压、高功率密度、能量形式广泛存在等优点，因此压电能量收集技术成为众多无线传感器网络系统的优先选择。但目前比较通用的压电能量收集电路多使用单个压电换能器，由于压电转换的规律，压电源内阻较大，单个压电源的输出功率往往较小。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种基于翻转电容复用技术的多压电源能量收集前端电路，该电路可作为能量收集电路的前端电路，应用于低功耗能量收集电路设计中，为能量收集电路提供一个高输出功率，较小电路尺寸的直流输入源。

2、技术方案：本发明的基于翻转电容复用技术的多压电源能量收集前端电路，包括压电换能电路、过零检测电路、脉冲产生电路、压电换能器选择电路、脉冲排序电路、开关驱动电路、电源管理电路、翻转电容电路和储能电容电路；在能量传输阶段，所述压电换能电路产生的能量经过储能电容电路的全桥整流结构储存在其储能电容上，并经过电源管理电路输出电压给过零检测电路、脉冲产生电路、压电换能器选择电路、脉冲排序电路以及开关驱动电路供电；所述过零检测电路用于检测压电换能电路输出电流为零的时刻，并输出上升沿信号分别给脉冲产生电路和脉冲排序电路；所述压电换能器选择电路用于决定电荷翻转阶段接入电路的压电换能器；所述翻转电容电路分别与压电换能电路和储能电容电路连接，在电荷翻转阶段，所述脉冲产生电路产生脉冲经脉冲排序电路排序后输入开关驱动电路，开关驱动电路控制压电换能电路和翻转电容电路中开关的通断，所述多压电源能量收集前端电路经翻转电容电路中的翻转电容实现电荷翻转。

3、进一步的，所述压电换能电路包括第一压电换能器、第二压电换能器、两个开关s4、两个开关s5、va端和vb端；所述va端为两个压电换能器一端分别通过开关与能量收集前端电路其余部分相连并传输能量的一个端口；所述vb端为两个压电换能器另一端分别通过开关与能量收集前端电路其余部分相连并传输能量的另一个端口；所述第一压电换能器的两端分别与两个开关s4连接，所述两个开关s4的另一端分别与va端、 vb端相连；所述第二压电换能器的两端分别与两个开关s5连接，所述两个开关s5的另一端分别与va端、 vb端相连。

4、进一步的，所述翻转电容电路包括翻转电容、开关s1、两个开关s2和两个开关s3；所述开关s1的一端与va端相连，另一端与vb端相连；其中一个开关s2的一端与翻转电容一端相连，另一端与va端相连，其中另一个开关s2的一端与翻转电容一端相连，另一端与vb端相连；其中一个开关s3的一端与翻转电容一端相连，另一端与va端相连，其中另一个开关s3的一端与翻转电容一端相连，另一端与vb端相连。

5、进一步的，所述储能电容电路包括储能电容以及构成全桥整流结构的二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4；所述二极管d1和二极管d2的负极与储能电容的一端相连，二极管d1的正极与va端相连，二极管d2的正极与vb端相连；所述二极管d3、二极管d4的正极以及储能电容cs的另一端与gnd相连；所述二极管d3的负极与va端相连，二极管d4的负极与vb端相连。

6、进一步的，所述第一压电换能器、第二压电换能器为悬臂梁式压电换能器。

7、进一步的，所述过零检测电路zcd的输入端与va、vb端相连，输出端syn与脉冲产生电路的输入端相连，输出端pn与脉冲排序电路的另一输入端相连，脉冲产生电路的输出端分别与压电换能器选择电路的输入端以及脉冲排序电路的输入端相连，压电换能器选择电路的输出端与脉冲排序电路的另一输入端相连；脉冲排序电路的输出端与开关驱动电路的输入端相连，开关驱动电路的多个输出端分别与压电换能电路和翻转电容电路中的开关相连，控制开关的通断。

8、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明的提出一种多压电换能器输入、复用翻转电容的压电能量收集前端电路，在环境中存在较弱振动时，通过多压电换能器提高能量收集前端电路的输出功率，同时，为解决多压电换能器面临的接口电路储能元件的线性增加，通过电路设计实现多压电换能器复用同一翻转电容，最终实现输出功率提升的同时减小压电能量收集前端电路的尺寸，在复用翻转电容减小电路尺寸的基础上实现更高的输出功率。

技术特征：

1.一种基于翻转电容复用技术的多压电源能量收集前端电路，其特征在于，压电换能电路产生的能量经储能电容储存后输出到电源管理电路，并给其他各个电路供电；包括压电换能电路、过零检测电路、脉冲产生电路、压电换能器选择电路、脉冲排序电路、开关驱动电路、电源管理电路、翻转电容电路和储能电容电路；电源管理电路的输入端与储能电容相连，电源管理电路的输出端与过零检测电路、脉冲产生电路、压电换能器选择电路、脉冲排序电路、开关驱动电路等有源电路的电源输入端相连；压电换能电路的两端与过零检测电路的两个输入端相连，过零检测电路的一个输出端与脉冲产生电路的输入端相连；脉冲产生电路的输出端分别与压电换能器选择电路的输入端以及脉冲排序电路的一个输入端相连，过零检测电路的另一个输出端与脉冲排序电路的另一个输入端相连，脉冲排序电路的输出端与开关驱动电路的输入端相连，开关驱动电路的输出端分别与电路内部的开关相连；

2.根据权利要求1所述基于翻转电容复用技术的多压电源能量收集前端电路，其特征在于，所述压电换能电路包括第一压电换能器、第二压电换能器、两个开关s4、两个开关s5、va端和vb端；所述va端为两个压电换能器一端分别通过开关与能量收集前端电路其余部分相连并传输能量的一个端口；所述vb端为两个压电换能器另一端分别通过开关与能量收集前端电路其余部分相连并传输能量的另一个端口；所述第一压电换能器的两端分别与两个开关s4连接，所述两个开关s4的另一端分别与va端、 vb端相连；所述第二压电换能器的两端分别与两个开关s5连接，所述两个开关s5的另一端分别与va端、 vb端相连。

3.根据权利要求2所述基于翻转电容复用技术的多压电源能量收集前端电路，其特征在于，所述翻转电容电路包括翻转电容、开关s1、两个开关s2和两个开关s3；所述开关s1的一端与va端相连，另一端与vb端相连；其中一个开关s2的一端与翻转电容一端相连，另一端与va端相连，其中另一个开关s2的一端与翻转电容一端相连，另一端与vb端相连；其中一个开关s3的一端与翻转电容一端相连，另一端与va端相连，其中另一个开关s3的一端与翻转电容一端相连，另一端与vb端相连。

4.根据权利要求2所述基于翻转电容复用技术的多压电源能量收集前端电路，其特征在于，所述储能电容电路包括储能电容以及构成全桥整流结构的二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4；所述二极管d1和二极管d2的负极与储能电容的一端相连，二极管d1的正极与va端相连，二极管d2的正极与vb端相连；所述二极管d3、二极管d4的正极以及储能电容cs的另一端与gnd相连；所述二极管d3的负极与va端相连，二极管d4的负极与vb端相连。

5.根据权利要求2所述基于翻转电容复用技术的多压电源能量收集前端电路，其特征在于，所述第一压电换能器、第二压电换能器为悬臂梁式压电换能器。

6.根据权利要求2所述基于翻转电容复用技术的多压电源能量收集前端电路，其特征在于，所述过零检测电路zcd的输入端与va、vb端相连，输出端syn与脉冲产生电路的输入端相连，输出端pn与脉冲排序电路的另一输入端相连，脉冲产生电路的输出端分别与压电换能器选择电路的输入端以及脉冲排序电路的输入端相连，压电换能器选择电路的输出端与脉冲排序电路的另一输入端相连；脉冲排序电路的输出端与开关驱动电路的输入端相连，开关驱动电路的多个输出端分别与压电换能电路和翻转电容电路中的开关相连，控制开关的通断。

技术总结
本发明公开了一种基于翻转电容复用技术的多压电源能量收集前端电路，包括压电换能电路、过零检测电路、脉冲产生电路、压电换能器选择电路、脉冲排序电路、开关驱动电路、电源管理电路、翻转电容电路和储能电容电路；本发明在环境中存在较弱振动时，通过多压电换能器提高能量收集前端电路的输出功率，同时，为解决多压电换能器面临的接口电路储能元件的线性增加，通过电路设计实现多压电换能器复用同一翻转电容，最终实现输出功率提升的同时减小压电能量收集前端电路的尺寸，在复用翻转电容减小电路尺寸的基础上实现更高的输出功率。

技术研发人员：谢祖帅,张硕,王子轩,蔡志匡,郭静静,刘璐,郭宇锋
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13