基于自适应同步开关电感技术的有源压电能量采集接口电路

本发明涉及压电能量采集接口电路，特别是涉及一种基于自适应同步开关电感技术的有源压电能量采集接口电路。

背景技术：

1、随着技术行业推动物联网(iot)发展，越来越多能量采集技术被提出，以解决无线传感器网络(wsns)的节点自供能问题。振动能量采集技术能够满足微功率系统的供能要求，环境振动能量可通过电磁式、静电式和压电式采集。其中，压电能量采集拥有高输出电压和高功率密度，是颇受欢迎的环境振动能量采集方式。

2、压电换能器的输出为交流电压信号，该交流电压信号阻碍了其在无线传感器网络中的直接应用，因此需要整流接口电路来进行交流/直流转换和电压调节。典型的整流接口电路有全桥整流接口电路和倍压整流接口电路，其结构简单，被广泛使用。由于压电换能器的固有电容cp的存在，这两种整流接口电路，直到cp被充电到所需的电压水平，才会开始向负载传输能量，会造成大量能量损失。此外，使用二极管的整流接口电路，不可避免受到二极管正向压降的影响，这一点同样对压电能量采集系统的能量转换效率有显著影响。为了提高能量转换效率，需要设计一个高效的能量采集接口电路实施能量管理操作。

3、目前，同步开关电感技术是从压电换能器中采集能量的最高效方法，该技术是在全桥整流的基础上，在压电换能器两端并联一个片外电感，与压电换能器固有电容cp建立一个串联谐振回路。该技术在压电换能器电流ip的过零点时刻，闭合开关形成lc谐振回路，进行电压翻转操作，持续1/2个谐振周期，可以很大程度降低在典型整流接口电路能量采集过程中ip对cp放电造成的能量损失。

4、对于压电能量收集系统，在能量采集过程中有尽可能低的能量损耗，才能得到尽可能高的能量转换效率。因此，同步开关电感技术需要精确时序控制，减少翻转电压环节中的反向电流。其次，系统后续的全桥整流部分需要有尽可能低的压降，进一步提高能量转换效率。再次，为了压电能量采集系统更高的集成度，投身于植入式、穿戴式电子设备等服务产品，自供电与冷启动也是需要关注的关键问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术中的问题，而提供一种基于自适应同步开关电感技术的有源压电能量采集接口电路。

2、本发明是这样实现的，一种基于自适应同步开关电感技术的有源压电能量采集接口电路，包括：

3、同步开关电感模块，与输入端vind以及输入端vn连接，具有两条并联的翻转电压通路，每条翻转电压通路具有一个控制该翻转电压通路进行闭合或判断的开关，两个所述开关根据外部输入的控制信号进行闭合或关断，以实现两条翻转电压通路的闭合或关断控制，从而控制电压换能器的两端电压翻转操作；

4、所述压电换能器，通过连接的一个电感lfilp与输入端vind连接，并与输入端vp、输入端vn连接，用于在所述电压换能器的两端电压停止翻转时，与连接的有源整流模块形成能量传递通路时，通过能量传送通路向负载电阻rl传递由正弦电流源产生的交流电压信号；

5、所述有源整流模块，与所述输入端vp、输入端vn连接，用于将来自所述压电换能器的交流电压信号进行整流，输出整流电压vrect至负载电阻rl，同时生成监测信号vctrl1和vctrl2输出到控制与偏置模块；

6、控制与偏置模块，与所述同步开关电感模块和有源整流模块连接，用于根据输入的整流电压vrect、数字电压vdig以及有源整流模块的监测信号vctrl1和vctrl2生成适应的两组时序控制信号，分别控制所述同步开关电感模块的两条并联的翻转电压通路中的开关的关断，以控制电压换能器的两端电压翻转操作。

7、其中，所述同步开电感模块的两条翻转电压通路中，一条翻转电压通路由开关sw1和二极管连接的nmos管mn3及nmos管mn3衬底选择电路组成，另一条翻转电压通路由开关sw2和二极管连接的nmos管mn4及nmos管mn3衬底选择电路组成；

8、开关sw1由nmos管mn5及nmos管mn5衬底选择电路、pmos管mp3及pmos管mp3衬底选择电路组成，开关sw2由nmos管mn6及nmos管mn6衬底选择电路、pmos管mp4及pmos管mp4衬底选择电路组成；

9、开关sw1中nmos管mn5的源级和pmos管mp3的漏级接nmos管mn3的栅极和漏级，nmos管mn5的漏级和pmos管mp3的源级接输入端vind，nmos管mn3的源级接输入端vn；

10、开关sw2中nmos管mn6的源级和pmos管mp4的漏级接nmos管mn4的源级，nmos管mn6的漏级和pmos管mp4的源级接输入端vind，nmos管mn4的栅极和漏级接输入端vn；

11、开关sw1由vs1n、vs1p控制闭合和关断，开关sw2由vs2n、vs2p控制闭合和关断。

12、其中，所述压电换能器在电域的等效电路模型为一个正弦电流源ip并联一个电容cp和一个电阻rp；一个电压翻转通路接通后与电感lfilp、电容cp形成谐振回路。

13、其中，所述正弦电流源ip的表达式为：

14、ip＝ip sin2πfp t

15、其中，ip为正弦电流源的峰值，fp为压电换能器的激励频率，t为时间。

16、其中，所述有源整流模块包括有源二极管d1、有源二极管d2、nmos管mn1、nmos管mn2；有源二极管d1由比较器com1、pmos管mp1构成；有源二极管d2由比较器com2、pmos管mp2构成；

17、比较器com1的输入负端接pmos管mp1的源级，比较器com1的输入正端接pmos管mp1的漏级和比较器com1的vctrl1输出端接pmos管mp1的栅极；比较器com2的输入负端接pmos管mp2的源级，比较器com2的输入正端接pmos管mp2的漏级，比较器com2的vctrl2输出端接pmos管mp2的栅极；

18、nmos管mn1的栅极接输入端vp、漏级接输入端vn、源级接地，nmos管mn2的栅极接输入端vn、漏级接输入端vp、源级接地；pmos管mp1的漏级接nmos管mn2的漏级，pmos管mp2的漏级接nmos管mn1的漏级。

19、其中，所述控制与偏置模块包括自适应时序产生模块，所述自适应时序产生模块包括与门and1、与门and2、与门and3、d触发器、延时电路τ、门驱动电路gd1、门驱动电路gd2、非门inv1、非门inv2；

20、与门and1的输入端接有源整流模块的比较器com1、比较器com2的vctrl1输出端、vctrl2输出端，与门and1的输出端接d触发器的输入端ck和延时电路τ的输入；d触发器的输入端d接d触发器的输出端和与门and3的其中一个输入，d触发器的输入端clr接数字电压vdig，d触发器的输出端q接与门and2的其中一个输入；与门and2和and3的另外一个输入端接延时电路τ的输出端；与门and2的输出端接门驱动电路gd1的输入端，门驱动电路gd1的vs2n输出端接非门inv1的输入端，非门inv1的输出端输出信号vs2p；与门and3的输出端接门驱动电路gd2的输入端，门驱动电路gd2的vs1n输出端接非门inv2的输入端；非门inv2的输出端输出信号vs1p；vs1n输入至同步开关电感模块中nmos管mn5的栅极，vs1p输入至同步开关电感模块中pmos管mp3的栅极；vs2n输入至同步开关电感模块中nmos管mn6的栅极，vs2p输入至同步开关电感模块中pmos管mp4的栅极。

21、其中，所述控制与偏置模块包括电压稳压模块，所述参考电压稳压模块的输出端与自适应时序产生模块的vdig电压输入端连接，用于根据输入的参考电流iref与整流电压vrect输出数字电压vdig至所述自适应时序产生模块。

22、其中，所述控制与偏置模块包括参考电流产生模块，所述参考电流产生模块的输出端与所述电压稳压模块的参考电流输入端连接，用于根据输入的整流电压vrect输出参考电流iref至所述电压稳压模块。

23、其中，所述有源整流模块的输出端接负载电容cl，用于将所述有源整流模块的输出电压进行滤波后输出整流电压vrect输出到负载电阻rl。

24、其中，所述压电换能器、电感lfilp、负载电容cl和负载电阻rl为片外元件，所述有源整流模块、同步开关电感模块以及控制与偏置模块集成于片上。

25、本发明的有源压电能量采集接口电路具有如下有益效果：

26、1.若时序控制因pvt(process,voltage,temperature)或其他因素产生误差，没有在合适的时间进行开关的闭合与关断，本发明的同步开关电感模块，可以很好的减少在翻转电压操作中的反向电流，从而得到高电压翻转效率。

27、2.本发明的有源整流模块降低了压电换能器两端电压vpn到整流电压vrect的压降，得到更高的输出功率，实现了能采集到更多的压电能量。

28、3.本发明设计简单的时序控制电路，避免使用外部输入的时序控制或片上复杂的控制电路，实现本发明接口电路的整体控制逻辑。

29、4.本发明的接口电路中，外部元件压电换能器、电感lfilp、负载电容cl和负载电阻rl，所有模块均集成与片上，具有高集成度。

30、5.本发明的接口电路能够实现自供电，并且在系统冷态即整流电压vrect为零的情况下，能够通过有源整流模块中nmos管mn1、mn2和pmos管mp1、mp2的体二极管组成的整流电路，完成冷启动。