一種自感知型電感同步開(kāi)關(guān)能量采集電路(一)

能源問(wèn)題是當今世界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，各國研究人員一直在努力尋找和開(kāi)發(fā)新能源。近年來(lái)，環(huán)境振動(dòng)能量已成為研究者的“ 新寵”，被應用在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的供電系統中，用以取代傳統的電池供電。

壓電能量采集因其具有轉化效率高、結構簡(jiǎn)單、易于實(shí)現機構的微小化等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為振動(dòng)能量采集研究的熱點(diǎn)。然而壓電陶瓷片在振動(dòng)環(huán)境中僅能輸出低功率、小電流的交流電，無(wú)法直接為電子器件供電。通常需要設計附加的能量采集電路，以便完成交直流轉換和能量存儲。如何盡可能提升能量采集電路的能量傳遞效率是該類(lèi)電路研究中關(guān)心的主要問(wèn)題。

最早的能量采集電路由二極管橋式整流和大電容濾波構成。它被成為AC-DC 標準能量采集電路SEH(Standard Energy Harvesting)，但該電路能量傳遞效率偏低，尤其是對機電耦合系數較低的能量采集裝置而言。為此，Guyomar 等人提出了電感同步開(kāi)關(guān)采集電路SSHI( Synchronized Switch Harvesting onInductor)，由于該電路設計可大幅提升能量傳遞效率，已成為當前能量采集電路設計的主流方式。

需要指出的是，傳統SSHI電路的原理是在振動(dòng)位移達到最大或最小時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)使電壓翻轉。為了協(xié)調控制開(kāi)關(guān)閉合，需要用外接供電的傳感器檢測位移，并用控制器控制開(kāi)關(guān)，顯然這種工作方式在采集能量的同時(shí)，還會(huì )消耗能量，有悖于環(huán)境能量采集的研究初衷。針對該問(wèn)題，本文提出了一種完全不依賴(lài)外部檢測與控制設備的自感知型電感同步開(kāi)關(guān)能量采集電路SS-SSHI( Self-Sensing Synchronized Switch Harvesting on Inductor)。該電路的優(yōu)點(diǎn)是僅依靠模擬電路即可完成檢測和控制，避免了對外界設備和能量的依賴(lài)。在該電路中，壓電片既是能量采集元件，又是傳感檢測元件，依靠其輸出電壓的峰值檢測與比較，可自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)機。同時(shí)，采用了一種模擬電子開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)現開(kāi)關(guān)閉合。文中給出了電路的工作原理與功率分析，理論和實(shí)驗研究表明，相比于標準電路，SS-SSHI 電路即能顯著(zhù)提高能量采集效率，又可避免對外界設備和能量的依賴(lài)。

1 壓電振子電學(xué)模型

壓電振子的電學(xué)模型可以等效為一個(gè)電流源和等效電容并聯(lián)，如圖1 所示。圖中Cp 為壓電片的夾持電容，Rp為壓電片等效內部電阻，一般為幾十兆歐或更大，ieq為等效電流源電流，可視為恒流源。

圖1 壓電能量采集模型

假設壓電振子的等效電流源的電流為ieq，那么它和振動(dòng)速度關(guān)系如下：

其中αe 是外力—電壓因子，x(t)為壓電振子位移。

2 壓電振子電學(xué)模型

壓電振子一般產(chǎn)生的都是交流電，而我們要供電的負載大部分則是要求直流電，這就使得在給外界負載供電之前需要對其進(jìn)行整流，提高能量采集效率是該類(lèi)電路設計中首要考慮的問(wèn)題。

2.1 標準能量采集電路

標準能量采集電路SEH( Standard Energy Harvesting)是最常見(jiàn)的轉換電路。它由標準的整流電路和濾波電容構成，一般選擇的濾波電容C r 要足夠大以保證整流電壓V DC 是一個(gè)保持不變的直流電壓，即時(shí)間常數RCr遠大于振蕩周期。電路原理圖如圖2 所示。

圖中C r為濾波電容，RL為等效負載，電路輸出功率等于負載的輸入功率。如果壓電片電壓| Vp| DC，那么當| Vp | 達到VDC 時(shí)，整流橋導通，壓電片電壓此時(shí)就在| Vp | = VDC 處停止上升。當| Vp | 開(kāi)始下降時(shí)，整流橋又開(kāi)始斷開(kāi)，電路處于斷開(kāi)狀態(tài)。

圖2 標準能量采集電路

電容兩端電壓和電量的關(guān)系為：

q =C ● V (2)

式中q 為電容兩端電荷，C 為電容大小，V 為電容兩端電壓。

當電容兩端電壓為固定值時(shí)，電容上儲存的能量W 為：

W =V ● q (3)

根據(2)和(3) 可以得出標準電路的能量采集功率PSEH為：

這里f0 =ω/2π是振動(dòng)頻率，Cp 為壓電元件夾持電容，VDC為整流直流電壓，VOC，org 為原始開(kāi)路電壓幅值，VD 為二極管壓降。

2.2 電感同步開(kāi)關(guān)能量采集電路

傳統的經(jīng)典能量采集電路由于電路一直處于通路狀態(tài)，電路本身?yè)p耗比較大，加之電路本身的結構缺陷，導致能量采集效率低下。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員提出了一種基于電感的同步開(kāi)關(guān)的能量采集電路SSHI( Synchronized Switch Harvesting on Inductor)，該電路包括一個(gè)電子控制開(kāi)關(guān)，當壓電結構的位移達到最大值或最小值這個(gè)開(kāi)關(guān)就被觸發(fā)，研究表明SSHI 電路的能量采集效率遠高于標準電路。該類(lèi)電路又分為并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電路( P-SSHI)和串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電路(S-SSHI)。

傳統的SSHI電路原理圖如圖3 所示，電路的大部分時(shí)間斷開(kāi)的，這樣能量采集電路本身的損耗就比較小，可以很好的提高能量采集效率。開(kāi)關(guān)只有在位移達到最大值或最小值時(shí)才閉合，此時(shí)組成一個(gè)L-Cp 振蕩回路，電路振蕩周期遠小于機械振蕩周期，每次開(kāi)關(guān)閉合后，存儲在壓電片Cp 上的能量便通過(guò)整流橋和電感L 轉移到電容Cr上來(lái)。

圖3 傳統的SSHI電路原理圖

通過(guò)(1)可知等效電流ieq和速度成比例，這些開(kāi)關(guān)動(dòng)作可以保證Vp 和ieq是同相位的，所以從機械部分到電部分的輸入能量永遠是正的。Lefeuvre 等研究了SEH 電路和S-SSHI 電路的最大輸出功率：

式中，α 為力因子，ω 是振動(dòng)角頻率，C0 是壓電元件夾持電容，UM 為壓電元件振動(dòng)位移幅值，Qi 為SSHI電路品質(zhì)因子。

通過(guò)上式可以看出S-SSHI 電路的最大輸出功率是SEH 電路的(1+e-π/2Qi ) / (1+e-π/2Qi ) 倍，顯然可以通過(guò)選擇合適的電路品質(zhì)因子Qi 顯著(zhù)的提高SSHI 電路的最大輸出功率。

3 自感知型電感同步開(kāi)關(guān)能量采集電路

然而傳統的SSHI 電路的有一個(gè)致命的缺點(diǎn)：它不是一個(gè)自感知電路，即開(kāi)關(guān)S 的通斷，需要位移傳感器和數字控制器，這些都需要額外的能量供給，有悖于能量采集研究的初衷。為此，本文根據文獻[12]給出的電子開(kāi)關(guān)設計( 如圖4)，提出了一種自感知的同步開(kāi)關(guān)能量采集SS-SSHI(Self-Sensing Synchronized Switch Harvesting on Inductor) 方法，僅依靠模擬電路就可以自動(dòng)的根據壓電元件輸出電壓的變化控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉。

圖4 電子開(kāi)關(guān)

3.1 SS-SSHI電路工作原理

在自感知同步開(kāi)關(guān)電路設計中，我們使用了互補的晶體管拓撲結構來(lái)實(shí)現對壓電片兩端電壓Vp 的直接包絡(luò )檢測：其中一部分用于最大值檢測，剩下的對稱(chēng)部分用于最小值檢測。對SSHI 電路的改進(jìn)電路SS-SSHI 如圖5 所示，圖中的主要元件的型號如表1。

圖5 SS-SSHI 電路原理圖