一種自感知型電感同步開(kāi)關(guān)能量采集電路(一)

圖中Vp 為壓電陶瓷片兩端電壓，VC1 和VC2 分別為電容C1 和C2兩端電壓。和傳統的SSHI 電路一樣，在每個(gè)周期內，伴隨著(zhù)振動(dòng)位移的變化，電子開(kāi)關(guān)會(huì )在電壓Vp 達到最大值時(shí)或者最小值時(shí)閉合。

圖6 SS-SSHI 電路電壓變化曲線(xiàn)

由于我們采用的是互補拓撲結構，所以電路中的最大值檢測和最小值檢測是對稱(chēng)的。本文將重點(diǎn)討論最大值檢測原理(最小值檢測與此類(lèi)似)，結合電路工作的四個(gè)階段，給出SS-SSHI 電路的工作特性。對于最大值檢測，開(kāi)關(guān)R1，D1 和C1 組成包絡(luò )檢測器，T1 作為比較器，而T3 作為電子開(kāi)關(guān)。四個(gè)階段的電壓變化如圖7 所示。

自然充電階段：電路剛開(kāi)始工作時(shí)，由于壓電元件的電壓是從0 開(kāi)始增加的，所以要有一個(gè)自然充電階段。自然充電時(shí)的電流走向如圖8，電路導通部分為圖中藍線(xiàn)部分。在這個(gè)階段只有兩個(gè)包絡(luò )檢測器電路是導通的，而所有的三極管是斷開(kāi)的。正向的等效電流ieq給Cp ，C1 和C2 充電，這樣Vp ，VC1和VC2也同時(shí)地增長(cháng)。

圖7 電壓Vp 變化曲線(xiàn)

圖8 自然充電

第一次電壓翻轉階段：當Vp 達到它的最大值Vmax時(shí)，電容C1 兩端的電壓為Vmax -VD ，這里VD 為二極管上面的壓降。接著(zhù)，Vp 開(kāi)始下降，當下降值達到VD +VBE，也就是Vp = V1( T1 時(shí)刻) 時(shí)，三極管T1 導通。電容C1 通過(guò)T1(ec) ，D3，T3(be) ，Crect，D8，Li 和r開(kāi)始放電，結果使得T3 導通。由開(kāi)關(guān)T3 導通產(chǎn)生的感應回路：D5，T3(ce) ，Crect，D8，Li 和r 使得Cp 兩端迅速短路。Cp 開(kāi)始從電壓V1 通過(guò)感應回路迅速放電，直到Vp 達到其局部最小值(t2 時(shí)刻)。第一次電壓翻轉的電流走向如圖9 所示，電路導通部分為圖中粗實(shí)線(xiàn)部分。

圖9 第一次電壓翻轉

第二次電壓翻轉階段：通過(guò)Li 的電流開(kāi)始翻轉其方向，但是T3(ce) 這條回路由于D5 的電流翻轉而立即阻塞。但由D7，Crect，T4(ce) 和D6 組成的回路還是可以導通的。因為即使T4 是斷開(kāi)的，在它的發(fā)射極和集電極總存在一個(gè)小的沒(méi)有充電的寄生電容。翻轉電流就通過(guò)這條回路，直到T4 的發(fā)射極—集電極電容CCE 充滿(mǎn)電，此時(shí)( T3 時(shí)刻)，Vp 變?yōu)閂3。Vp的局部最小值也就是V2 可能導致最小值開(kāi)關(guān)的誤判。因此R2 是必須的，以確保用來(lái)最小值檢測的C2 的放電比Cp 慢， 這樣可以跳過(guò)局部最小值。圖10 顯示了第二次電壓翻轉的電流走向，電路導通部分用加粗實(shí)線(xiàn)表示。第二次電壓翻轉在自感知的能量采集電路中起副作用，可以選擇小的發(fā)射極—集電極電容CCE 可避免這種作用。然而，實(shí)際三極管中永遠存在寄生電容。

圖10 第二次電壓翻轉

電荷中和階段：在t3 時(shí)刻后，T3 和T4 都斷開(kāi)了，但C2 仍舊沒(méi)有結束放電，C2 上剩余的電荷將流入Cp 和C1 直到他們擁有相同的電壓。這個(gè)電荷中和又導致Vp 在進(jìn)入下半個(gè)周期即最小值檢測之前增大了一點(diǎn)至V4。C2 實(shí)際放電是從t1 時(shí)刻開(kāi)始的，但是為了便于分析，假設電荷中和階段和其它3個(gè)階段一樣也是獨立的，電荷中和階段的電流走向如圖11，電路導通部分用粗實(shí)線(xiàn)表示。

圖11 電荷中和

最小值開(kāi)關(guān)檢測可由電路中剩余的對稱(chēng)部分完成，其原理和最大值檢測類(lèi)似。只是對于最小值檢測，中間電壓就分別變?yōu)?V1，-V2，-V3 和-V4。