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多压电输入无相位滞后的同步电荷提取电路研究

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传感技术学报 2021年第8期34卷 1044-1050页

作者：朋焱盛施阁杨燕梅傅潇枫刘良康朱晋杨李青中国计量大学机电工程学院浙江杭州310018

当前,大多数压电能量采集电路是针对于单压电元件(PZT)输入的。实际应用中,为获得更多能量,压电俘能器(PEH)往往配备有多压电片输出,如何对多输入PEH的电荷进行高效提取已经成为研究热点。本文提出了一种无相位滞后的高效多输入同步电... 详细信息

当前,大多数压电能量采集电路是针对于单压电元件(PZT)输入的。实际应用中,为获得更多能量,压电俘能器(PEH)往往配备有多压电片输出,如何对多输入PEH的电荷进行高效提取已经成为研究热点。本文提出了一种无相位滞后的高效多输入同步电荷提取电路MI-SECE(Multi-Input Synchronous Electric Charge Extraction circuit),主要由整流桥、峰值检测电路、电压过零检测电路、传输控制电路和Buck-Boost电路组成。通过有源峰值检测电路和电压过零检测电路,MI-SECE可准确捕捉压电元件电压达到峰值的时间,并减小其与开关动作时间的相位差,从而提高能量提取效率。实验验证表明:MI-SECE电路能够显著提高能量采集效率,能量采集效率高达90.01%,并且可以同时从多个PZT中提取能量。

关键词：振动能量多输入同步电荷提取无相位滞后压电能量采集

一种适用于强耦合压电能量采集器的非对称电压接口电路

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电子科技 2024年

作者：沈行风袁天辰杨俭宋瑞刚上海工程技术大学城市轨道交通学院

在弱耦合压电能量采集系统中，串联同步开关采集接口电路(Series Synchronous Switch Harvesting Interface Circuit， S-SSHI)、并联同步开关采集接口电路(Parallel Synchronous Switch Harvesting Interface Circuit， P-SSHI)、同步电荷提取接口电路(Synchronous Charge Extraction Interface Circuit， SECE)比全波整流接口电路(Full-Wave Rectifier Bridge， FB)能够获得更大的输出电压和俘能功率。在强耦合系统下，S-SSHI、P-SSHI、SECE接口电路对输出电压的增益效果并不明显。为解决该问题，文中提出了一种非对称电压接口电路。该电路由单个电压检测开关和全波整流桥组成，当充电电容电压接近压电能量采集器(Piezoelectric Energy Harvester， PEH)的开路电压时，PEH的电压开始偏置。在偏置电压作用下，非对称电压接口电路的最大输出电压高于FB，因此非对称电压接口电路可提高俘获能量。非对称电压接口电路的仿真结果和实验结果一致。非对称电压接口电路在强耦合实验下的俘能能量为0.532 J，与FB相比，其俘获能量提高了147%，与其他改进接口电路相比，其俘获能量提高了75%。

关键词：压电能量采集接口电路俘获能量俘能功率非对称电压串联同步开关并联同步开关同步电荷提取

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基于同步电荷提取的压电能量俘获电路设计

压电与声光 2022年第3期44卷 478-483页

作者：林周鹏周福强李梦涛赵泽毅北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室北京100192

利用压电振动能量收集技术具有的力-电耦合效应高,无电磁干扰,机构简单等特点,该文提出了一种对称式自供电同步电荷提取电路(SSP-SECE),使用互补三极管实现同步开关控制,通过导向二极管与检测电容可实现峰值自检测。使用Multisim软件建... 详细信息

利用压电振动能量收集技术具有的力-电耦合效应高,无电磁干扰,机构简单等特点,该文提出了一种对称式自供电同步电荷提取电路(SSP-SECE),使用互补三极管实现同步开关控制,通过导向二极管与检测电容可实现峰值自检测。使用Multisim软件建模仿真测试了电路方案的合理性,实验验证了电路的有效性。实验结果表明,采用优化设计的SSP-SECE接口电路使负载电阻功率比标准能量采集电路高约4.23倍,相对于SECE电路整体提升了23.02%。

关键词：能量俘获同步电荷提取压电片自供电电路仿真

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基于同步电荷提取方法的能量回收技术研究

基于同步电荷提取方法的能量回收技术研究

作者：丰立东南京航空航天大学

学位级别：硕士

受无线技术和低功耗电子设备技术进步的推动,能量回收技术在最近几年中得到了长足的发展。通过与低功耗设备相结合,极大地拓宽了能量回收技术的应用范围。压电材料作为一种新型的功能材料,以其良好的机电耦合特性,在能量回收、振... 详细信息

受无线技术和低功耗电子设备技术进步的推动,能量回收技术在最近几年中得到了长足的发展。通过与低功耗设备相结合,极大地拓宽了能量回收技术的应用范围。压电材料作为一种新型的功能材料,以其良好的机电耦合特性,在能量回收、振动噪声控制等领域具有广泛的应用前景,尤其是采用压电材料实现能量回收已成为一个研究热点。结构发生振动时,粘贴在振动结构表面的压电片上会感应出交变的电压信号,而交流电压信号难以直接回收、储存和利用,因而出现了基于不同原理的能量回收接口电路。本课题的主要内容是对已有的同步电荷提取方法进行更深入的分析,并在其基础上提出一种改进的能量回收方法,辅之以理论分析和相关实验验证其有效性和可行性。在本文第三章中,首先介绍了经典能量回收方法和原始同步电荷提取方法的工作原理,然后在非理想状况下考虑实际的谐振电路,对原始同步电荷提取方法进行深入的分析,找到了影响该方法回收功率的重要因素。在此基础上,提出了基于改进开关控制信号的同步电荷提取方法,并对其进行理论分析,证明了改进方法在增加回收功率方面的有效性。在本文第四章中,搭建能量回收实验系统,利用dSPACE仿真控制平台,借助根部粘贴有压电片的悬臂梁振动系统进行能量回收实验。使用经典能量回收电路、原始及改进同步电荷提取电路验证第三章中得到的相关结论,如原始同步电荷提取方法的回收功率与负载无关,改进同步电荷提取方法可以有效的提高回收功率。此外,还发现原始与改进同步电荷提取方法都有较好的振动阻尼效果。在本文第五章中,考虑到实验的便捷性,通过选取低功耗单片机MSP430和相关低功耗器件,设计并制作了同步电荷提取方法的控制系统电路板,实现了同步开关电荷提取系统的模块化和小型化,可以方便地进行不同条件下的原始及改进同步电荷提取方法的实验,并为日后系统的升级预留了空间。

关键词：能量回收同步电荷提取 MSP430单片机振动压电元件

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压电能量收集接口电路的设计与仿真

压电与声光 2022年第1期44卷 95-100页

作者：王永耀李莉安然然于慧慧马雄飞陈鹏沈阳化工大学计算机科学与技术学院辽宁沈阳110142 辽宁省化工过程工业智能化技术重点实验室辽宁沈阳110142

为了给无线传感器网络节点提供稳定、高效且长期的能量供给,该文提出了一种基于增强型同步电荷提取电路的压电能量收集接口电路(ESECE)。利用Multisim电路仿真软件对增强型同步电荷提取电路进行仿真,并与标准压电能量收集接口电路(SHE)... 详细信息

为了给无线传感器网络节点提供稳定、高效且长期的能量供给,该文提出了一种基于增强型同步电荷提取电路的压电能量收集接口电路(ESECE)。利用Multisim电路仿真软件对增强型同步电荷提取电路进行仿真,并与标准压电能量收集接口电路(SHE)和同步电荷提取电路(SECE)进行对比分析。实验结果表明,在相同激励条件下,ESECE比SECE的输出功率提高了近30%,最大输出功率达到190μW,同时还保证了输出功率与负载电阻的无关性。

关键词：压电能量收集同步电荷提取能量收集接口电路无线传感器网络数值模拟

基于S-SSHI和SECE混合的自供电能量俘获电路

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电子元件与材料 2023年第10期42卷 1232-1240页

作者：陈聪严柏平林峻宁冯浩文广东工业大学自动化学院广东广州510006

为解决现有压电能量俘获电路效率低、开关辅助电路结构复杂且能耗高等问题,基于串联同步开关电感(Series Synchronized Switch Harvesting on Inductor,S-SSHI)电路输出功率峰值高和同步电荷提取(Synchronous Electric Charge Extractio... 详细信息

为解决现有压电能量俘获电路效率低、开关辅助电路结构复杂且能耗高等问题,基于串联同步开关电感(Series Synchronized Switch Harvesting on Inductor,S-SSHI)电路输出功率峰值高和同步电荷提取(Synchronous Electric Charge Extraction,SECE)电路负载范围宽的优点,提出一种具有自供电功能的能量俘获电路。为实现SSSHI电路和SECE电路混合,基于二者开关动作均在压电元件开路电压的极值点,提出了正极值点电压翻转、负极值点电荷提取的策略;设计了两个非对称无源正/负峰值检测电路检测正/负极值,使正/负半周期的工作模式分别为S-SSHI和SECE,从而达到输出功率和负载范围的平衡。通过仿真建模研究所提电路的可行性,验证了所提电路俘能性能优越,输出功率峰值可达SEH电路的4倍,同时具有较宽的负载范围。

关键词：压电元件接口电路同步电荷提取串联同步开关电感自供电

面向压电能量采集器的高效电能捕获与管理电路研究

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面向压电能量采集器的高效电能捕获与管理电路研究

作者：高威苏州大学

学位级别：硕士

随着无线传感网的快速发展,对于构成该网络的无线传感节点的供电要求也越来越高。传统的供电方式是使用蓄电池等设备进行供电,但是需要人力维护以及更换,增加成本的同时还会带来环境污染。利用压电能量采集器将环境中的振动能转换为电... 详细信息

随着无线传感网的快速发展,对于构成该网络的无线传感节点的供电要求也越来越高。传统的供电方式是使用蓄电池等设备进行供电,但是需要人力维护以及更换,增加成本的同时还会带来环境污染。利用压电能量采集器将环境中的振动能转换为电能是解决无线传感节点自供电问题的一条有效途径。压电能量采集器的输出为交流电,不可直接为负载供电,因此需要设计相应的电能捕获与管理电路。本文在分析了不同类型压电能量采集器输出特性的基础上,设计了两种电能捕获与管理电路。第一种电能捕获与管理电路采用全波整流电路实现能量捕获,包含整流桥、全CMOS结构基准源、电能管理电路。整流桥采用PMOS交叉耦合结构极大地降低了导通压降,全CMOS基准源为电路提供基准电压与参考电流,电能管理电路为负载提供1.8V稳定电压并控制负载处于间歇工作状态。该电路采用华虹宏力110nm CMOS工艺流片,版图面积为0.6mm2,芯片采用QFN32形式封装。在频率40Hz,加速度幅值4g振动条件下,测得芯片能量提取功率为234μW,负载每间隔3s工作一次,工作时电源电压为1.8V。尽管全波整流电能捕获电路结构简单、易于实现,但是在捕获二级振动结构压电能量采集器输出电能中无法达到最大功率提取,因此在第二种电能捕获与管理电路中采用同步电荷提取电路来实现电能捕获,包含冷启动、峰值检测、比较器复用以及栅极驱动电路模块。其中比较器复用电路仅利用一个比较器完成电路振动检测、过零检测以及反向电流检测等多个工作状态的切换,有效地降低了电路功耗与版图面积。该电路采用华虹宏力110nm CMOS工艺进行设计,版图面积为0.75mm2。在恒定型与冲击型振动激励仿真条件下,发现同步电荷提取电路能量提取功率分别为全波整流电路的3.01倍、4.57倍,有效提高了能量提取功率。

关键词：压电能量采集器接口电路全波整流同步电荷提取

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新型高压侧自供电电源设计与研究

电工电能新技术 2014年第8期33卷 77-80页

作者：李衍川江和福州大学电气工程与自动化学院福建福州350108

分析了高压电场能量收集的原理,建立静电场耦合分布电容模型,并通过实验证明了模型的参考价值。随后,分析使用整流桥电路进行能量管理时的最佳功率点,并从增大超级电容充电电流的角度,设计了一种新型的管理电路,即同步电荷提取电路,以... 详细信息

分析了高压电场能量收集的原理,建立静电场耦合分布电容模型,并通过实验证明了模型的参考价值。随后,分析使用整流桥电路进行能量管理时的最佳功率点,并从增大超级电容充电电流的角度,设计了一种新型的管理电路,即同步电荷提取电路,以获得最佳的能量存储能力。结果证明存在一个最佳占空比使得收集的能量最大化,从而缩短无线节点在线监测工作周期。

关键词：能量收集同步电荷提取最佳占空比在线监测

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面向特定频率能量收集的压电悬臂梁优化设计

面向特定频率能量收集的压电悬臂梁优化设计

作者：李嘉婷大连理工大学

学位级别：硕士

在不便安装或频繁更换电池的场所,可利用压电振动能量收集器为电子器件供电。因频带窄和输出功率较低等缺陷,压电能量收集器并未广泛应用。本文面向工频50 Hz的振动环境,对梯形悬臂梁式压电能量收集器进行了结构、电极占比和能量管理电... 详细信息

在不便安装或频繁更换电池的场所,可利用压电振动能量收集器为电子器件供电。因频带窄和输出功率较低等缺陷,压电能量收集器并未广泛应用。本文面向工频50 Hz的振动环境,对梯形悬臂梁式压电能量收集器进行了结构、电极占比和能量管理电路设计与优化,并分别通过有限元仿真和实验,将优化的梯形悬臂梁式压电能量收集器与传统的矩形压电能量收集器在储能、负载功率和间歇式供电等方面进行了对比研究。依据矩形压电悬臂梁的一阶固有频率表达式,研究了梯形悬臂梁式能量收集器的结构尺寸对固有频率的影响;结合悬臂梁振动位移方程和压电方程,揭示了减小电极所占比例可提高压电能量收集器的开路电压和储存能量的本质是,减少了因压电悬臂梁应力分布不均匀导致的电磁能量损耗。通过COMSOL“特征频域”和“频域”研究,比较压电悬臂梁的应力分布、振动模态、开路电压、存储能量和能量密度,确定了全压电结构、梯形压电悬臂梁上下底比率和电极所占比例。由此,设计一阶固有频率为50 Hz的梯形压电悬臂梁的最优尺寸参数,同时以同体积等长度的矩形压电悬臂梁作为对照。制作两种压电能量收集器,采用优化的同步电荷提取电路和以LTC3129-1为核心的间歇供电能量管理电路,在相同振动条件下,研究了不同电极占比时的能量收集效果,对比了为温度传感器节点APC300间歇式供电的充放电周期和功率。仿真与实验均表明,该梯形和矩形压电悬臂梁的最优电极占比分别为0.7和0.6。仿真中0.7电极占比的梯形压电悬臂梁储存能量是0.6电极占比矩形压电悬臂梁的1.15倍。相同振动条件下,采用同步电荷提取电路,0.7电极占比的梯形压电悬臂梁的回收功率是0.6电极占比的矩形压电悬臂梁的1.11倍;加入间歇供电能量管理电路后,为无线温度传感器发射端APC300供电,0.7电极占比的梯形压电悬臂梁为0.22 F储能电容充电功率为1.3 m W,是0.6电极占比的矩形压电悬臂梁的1.77倍。综上,优化后的梯形悬臂梁式压电能量收集器的供电能力是传统矩形压电能量收集器的2倍。

关键词：压电悬臂梁电极占比同步电荷提取间歇式供电恒加速度激励