自供电的同步电荷提取电路的优化设计*

屈凤霞，夏银水，施　阁，叶益迭，寇彦宏（宁波大学电路与系统研究所，浙江宁波315211）



自供电的同步电荷提取电路的优化设计*

屈凤霞，夏银水*，施阁，叶益迭，寇彦宏
（宁波大学电路与系统研究所，浙江宁波315211）

摘要：利用压电元件的压电效应将外界振动产生的机械能转化为电能是当前一种有效的俘能方法。将压电元件表面累积的电荷进行有效提取是这种俘能方法的关键。因此，高效的电荷提取电路的设计显得特别重要。本文提出了一种自供电同步电荷提取电路SP-OSCE（Self-Powered Optimized Synchronous Charge Extraction Circuit），使用两个无源的极值检测电路检测压电元件输出信号的正负极值并在极值点进行能量提取。所提出的SP-OSCE电路采用整流电路、极值检测电路元件复用的方法，从而避免了传统的整流桥结构；电路不但提取了压电元件受夹电容中的电荷，而且将检测电容中所积累的电荷提取到电感上，提高了能量的转换效率。通过Multisim建模仿真验证了所设计电路的有效性，进而进行了物理验证，实验表明与仿真结果相吻合。

关键词：能量俘获；压电元件；接口电路；自供电；实验验证

项目来源：国家自然科学基金项目（61131001，61401243）；宁波市创新团队项目（C01280114302）；浙江省自然科学基金项目（LQ15F010002）；浙江省新苗人才计划项目（2014R405087）

随着集成电路技术、传感技术和通信技术的发展，无线传感器网络成为了目前研究的热点，并已广泛应用于工业、消费电子、环境监测、智能交通、军事等领域［1］。但是由于使用电池的传统供电方式的局限性，使无线传感器网络节点供电成为了制约无线传感器网络发展的瓶颈。目前，利用环境能量为无线传感器节点供电已成为解决无线传感器网络能量供给问题的有效方法之一。振动是环境中广泛存在的一种能量形式，如大自然中水和空气的流动、工业机器运作时的振动、交通工具运行及人体运动产生的振动等都具有振动能。基于振动的能量俘获方法一般有三种：电磁式、静电式和压电式，其中压电式振动能量俘获装置因具有结构简单、能量密度高、寿命长、可兼容等优点而被广泛采用［2］。

压电式振动能量俘获装置利用压电材料的正压电效应，将环境中的振动能转换为电能。由于振动使压电元件输出交流电压，而无线传感网络节点的供电需要稳定的直流电压，所以，在压电元件与直流负载之间需要设计能量转换的接口电路，其中经典的方法是由二极管全桥整流器和一个滤波电容组成的标准能量俘获电路SEH（Standard Energy Harvest⁃ing）。但是这种电路不仅俘获效率低，而且俘获的功率受后端滤波电容电压和负载大小的影响。因此，研究人员提出了多种能量俘获接口电路，主要包括并联同步开关电感电路P-SSHI（Parallel Synchro⁃nized Switch Harvesting on Inductor）、串联同步开关电感电路S-SSHI（Series Synchronized Switch Har⁃vesting on Inductor）、同步电荷提取电路SCE（Syn⁃chronous Charge Extraction）或SECE（Synchronous Electric Charge Extraction），以及从这3种电路派生出来的双同步开关电路DSSH（Double Synchronized Switch Harvesting）、优化型同步电荷提取电路OSE⁃CE（Optimized Synchronous Electric Charge Extrac⁃tion）等［3-6］。但是大部分电路需要由外供电的DSP控制系统辅助才能实现，其辅助电路本身功耗较大，甚至有可能超过系统从外界俘获的能量。OSECE电路在SECE电路的基础上，优化了其开关控制策略，给出了低功耗的自供电方案，但是OSECE电路中需要一个三线圈的耦合反激式变压器，导致整体电路体积庞大，而且极值检测电路中的检测电容所积累的电荷需要通过电阻放电，这不仅时间难以控制而且造成了能量损耗［7-8］。

本文提出了一种自供电的同步电荷提取电路SPOSCE（Self- Powered Optimized Synchronous Charge Extraction Circuit）。所提出的SP-OSCE电路使用两个无源的极值检测电路来检测压电元件输出电压的正负极值，并在极值点对压电元件上产生的电荷进行提取。SP-OSCE电路采用整流电路、极值检测电路元件复用的方法，具有无需传统整流桥结构、且能提取极值检测电路中电容所积累的电荷的能力。Multisim建模仿真和物理验证表明了所设计电路的有效性。

1　压电元件的等效模型及经典接口电路分析

1.1压电元件的等效模型

压电元件的等效电路可以用一个机械弹簧系统耦合到电域来表示（一种显示压电能量俘获机械特性和电气特性的等效电路），如图1所示［8-11］，Lm代表机械质量，Cm代表机械刚度，Rm代表机械损失。当激发正弦振动时，压电元件可以建模成由一个正弦电流源IP、电容CP和电阻RP组成的电路，其中CP代表压电材料的受夹电容。

图1　压电元件机电耦合等效模型

1.2经典接口电路分析

1.2.1标准能量俘获电路

标准能量俘获电路（SEH）由全桥整流器和滤波电容Cr组成，如图2所示，终端负载等效为电阻RL。

图2　标准能量俘获电路

当压电元件受夹电容CP两端的电压VP小于储能电容Cr两端的电压VDC时，整流器不工作。当VP的绝对值大于VDC时，电荷开始从CP中通过整流电路转移到Cr中。SEH电路的输出功率可表示为［12-13］：

其中α是压电元件的压电应力因子，f是系统的谐振频率，uM是压电元件机械振动位移的最大幅值。

由式（1）可以得出SEH电路的最优负载Ropt：

因此，SEH电路的最大输出功率为：

1.2.2同步电荷提取电路

同步电荷提取电路的原理图和工作波形如图3所示。当压电元件振动位移达到峰值时，压电元件两端的开路电压也达到极值，此时对压电元件上的电荷进行提取，能量的提取效率最高。同步电荷提取电路就是基于这个原理，当压电元件振动位移达到峰值时，闭合开关S，则压电元件的受夹电容CP与电感L形成LC振荡回路，压电元件上累积的电荷在短时间内转移为电感中的磁能存储；电荷转移完成后开关S打开并等待下一次电荷提取，此时压电元件开路。电感L通过二极管续流将能量转移到储能电容Cr上。

图3　同步电荷提取电路原理图和电容Cp的工作波形

除了电荷转移的时间之外，全桥整流器的二极管均处于截止状态，压电元件输出的电流Ip为0。这种情况下，电压振幅VM可表示为：

因此，同步电荷提取电路的平均功率可表示为：

通过式（3）和式（5）对比可以得出，在理想情况下同步电荷提取电路的提取功率为标准能量俘获电路最大提取功率的四倍。同时，从式（5）中可以得出，同步电荷提取电路独立于负载，即输出的功率不受负载影响，这是同步电荷提取电路显著的优点。

2　电路设计

本文提出的自供电同步电荷提取电路（SP-OSCE）如图4所示。主要包括两个极值检测电路，开关S1、S2，二极管D1、D2、D3，电感L和电容Cr。

图4　优化的同步电荷提取电路

正极值由晶体管Q3，二极管D4、D5，电容C1来检测，而负极值则由晶体管Q1，二极管D4、D5，电容C1来检测。电子开关S1、S2分别由晶体管Q2、Q4实现。晶体管Q1、Q3的实际作用类似于比较器［14-16］；下拉电阻Rpd1、Rpd2分别确保当晶体管Q1、Q3截止时晶体管Q2、Q4的基电极接地。

在压电元件输出电压信号的正半周，电路分为以下4个工作阶段。

第1阶段：自然充电阶段

压电元件从零位移处向最大位移处运动时，压电元件因为压电效应产生电荷，受夹电容CP开始充电。当CP上的电压大于二极管D5以及晶体管Q1的基射极阈值电压时，电容C1开始充电，如图5（a）所示。当压电元件运动到最大位移处时，压电元件输出的开路电压达到最大，此时压电元件输出电流为零，电容CP、C1上的电压达到最大值，电路进入第二个工作阶段。

第2阶段：电流反相阶段

随着压电元件开始反向运动，电容CP反向充电，如图5（b）所示。CP上的电压开始减小，而C1上的电压由于二极管D4的阈值电压和D5的反向截止作用无法减小，直到电容CP上的电压与C1上的电压差大于晶体管Q3的基射极阈值电压，晶体管Q3导通，电路进入第三个工作阶段。

第3阶段：能量提取阶段

晶体管Q3导通，因此晶体管Q4也导通，电容CP通过二极管D1、电感L、晶体管Q4形成放电回路，电容CP与电感L产生LC谐振，振荡1/4个LC周期后，电容CP电压下降到零。同时，电容C1通过二极管D4、D1，电感L，晶体管Q4、Q3形成放电回路。电容CP、C1的放电完成后，电感L上的电流增加到最大值，如图5（c）所示。此时晶体管Q3截止，因此Q4也截止，电路进入第4阶段。

第4阶段：电感续流阶段

电感L通过二极管续流将能量转移到储能电容Cr中，用于后端负载的供电。完成正半周期能量同步提取，如图5（d）所示。

压电元件负半周输出的最小电压被负极值检测电路检测，并以类似的工作方式俘获能量。

图5　优化的同步电荷提取电路的4个工作阶段

3　仿真及分析

对所提出的SP-OSCE电路在Multisim下进行建模仿真，元件模型及参数如表1所示。

表1　元件模型及参数

电路的仿真波形如图6所示。图6（a）为压电元件电压VP的仿真波形，图6（b）为电感L的电流波形及其局部放大图，图6（c）为电容CP、C1、Cr的电流波形。由图6（a）可见，压电元件的输出电压VP在压电元件的振动位移峰值处反向至零；电压反相后，压电元件开路，电压随压电元件振动位移变化。由图6（b）可见，在极值检测开关在压电元件输出电压的极值处闭合，电容CP与电感L产生LC谐振，1/4个振荡周期后电容CP中的能量完全转移到电感L中，电感L中的电流迅速从零增加到最大值然后又减小到零，这是因为电感L通过二极管续流将能量转移到储能电容Cr中。图6(c)中电容CP、C1、Cr的电流波形验证了以上的分析，电容Cr中的电流为电容CP、C1中的电流之和。值得注意的是，用这种极值检测结构导致系统在峰值电压和实际的开关时间之间存在相位滞后，这是由于二极管和晶体管的阈值压降导致的。

图6　新型自供电同步电荷提取电路仿真波形图

为了比较不同接口电路在能量俘获效率方面的性能，我们把这些电路在不同负载（负载RL变化范围为0～500 kΩ）时的输出功率进行了比较，如图7所示。仿真结果表明SP-OSCE电路在负载大于50 kΩ后输出功率基本恒定在4.33 mW。在负载电阻较低时，电路俘获能量的效率也较低，这是因为在低负载区域电路输出电压较低，电路中各二极管和晶体管阈值压降对输出功率的影响较为明显。

图7　几种接口电路的输出功率比较

通过对SP-OSCE电路和标准能量俘获电路的最大输出功率的仿真测试，结果表明SP-OSCE电路的输出功率是标准能量俘获电路的3.03倍。当然，由于系统的性能受振动源、工艺条件等诸多因素制约，我们很难对所有不同的接口电路进行公平的比较。因为SP-OSCE电路中的电感在其电流达到极值时断开与前端压电元件的连接，通过后端的二极管续流，电感产生的较大的感应电动势启动对储能电容充电，所以该电路输出功率基本不随负载变化；同时SP-OSCE电路避免了使用Self-powerd SCE电路中的变压器和OSECE电路中的三线圈变压器，减小了电路的体积。虽然Self-powerd SCE电路输出功率也基本不随负载变化，但输出功率仅是标准能量俘获电路最大输出功率的2.61倍，这是由于Self-powerd SCE电路中包含二极管整流桥，因此在实际应用中二极管的阈值压降引起的能量损耗较SP-OSCE大。OSECE电路输出功率在负载为10 kΩ～80 kΩ时大于SP-OSCE电路的输出功率，但是由于电路输出的直流电压受负载电阻的影响，因此OSECE电路输出功率随负载变化；而且OSECE极值检测电路中的检测电容所积累的电荷需要通过电阻放电，这不仅时间难以控制而且造成了能量损耗。所提出的SP-OSCE电路采用整流电路、极值检测电路元件复用的方法，避免了传统同步电荷提取电路结构中的整流桥结构。综上，本文所提出的电路在体积和能量俘获效率方面相对较好。

4　实验验证

为验证以上理论分析的结果，我们搭建压电能量俘获系统实验对所提出的SP-OSCE电路进行物理验证，如图8所示。实验主要由压电元件、悬臂梁结构及SP-OSCE接口电路组成。悬臂梁一端固定另一端悬空，在悬臂梁的固定端粘贴尺寸为60 mm×30 mm×0.24 mm的压电元件，在悬空端连接一个永久磁铁，并由电磁驱动器提供一个正弦激励进行驱动，以此改变悬臂梁悬空端的振动频率和位移。由示波器（Agilent Technologies，MSO6012A）监测能量提取过程中的电压波形，并使用万用表（Agilent 34401A digit Multimeter）对储能电容上的电压进行测量。

由于悬臂梁只在它的固有频率范围内进行振动，我们需要通过改变其机械结构尺寸和质量来调整其固有频率。为了验证SP-OSCE接口电路在不同频率范围内的性能，实验采用一个压电元件的等效电路来测试SP-OSCE接口电路的性能。压电元件等效电路由电压电流转换器输出的一个正弦电流源并联一个与压电元件等效电容CP相等的电容构成。电压电流转换器由函数信号发生器（RIGOL，DG1022U）和直流稳压电源（MOTECH，LPS-305）提供正弦激励，改变压电元件等效电路的输入电压幅值和频率，压电元件等效电路的输出的变化范围为1 kHz～3 kHz，输出电压为0～30 V。压电元件等效电路如图8所示。

图8　压电能量俘获系统实验平台

示波器显示为压电元件等效电容上的电压波形。压电元件的输出电压在压电元件的振动位移峰值处反向至零；电压反相后，压电元件开路，电压随压电元件振动位移变化，与仿真结果相吻合。万用表显示为储能电容两端的电压。

使用万用表对SP-OSCE电路不同负载情况下负载的端电压和通过负载的电流进行测量，得到SP-OSCE电路随负载变化的输出功率曲线，并与仿真结果进行比较，如图9所示。物理验证表明输出功率随负载的变化结果基本上与仿真结果相吻合。

由图9可见，在整个负载区域内，电路的实验输出功率低于仿真输出功率，这是由于实际电路中二极管和晶体管阈值压降以及各元件的内阻造成的能量损耗。在低负载区域电路的输出电压较低，损耗主要由二极管的导通压降以及各阻性元件的热能损失引起。在负载电阻较高的区域，电路输出的电压也较高，由二极管和晶体管阈值压降导致的能量损耗相对降低，但是电路俘获能量时的充放电回路中的电流增加，包括电感内阻在内的整个回路中的阻性元件造成了电路在高负载区域能量损耗的增加，因此输出功率随负载增加而略微减少。

图9　SP-OSECE电路输出功率随负载变化曲线

5　结论

基于无线传感网络节点的自供电问题，本文提出了一种自供电同步电荷提取电路。所提出的电路具有无需传统整流桥结构、且能提取极值检测电路中电容所积累的电荷的能力。仿真结果证明了本文所提出的电路能量俘获效率高。仿真和物理验证均表明所提出的电路的能量俘获效率受负载变化影响较小。

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屈凤霞（1989-），女，河南南阳人，硕士研究生，宁波大学信息科学与工程学院，主要研究方向为电子系统设计与开发，fengxiaqu@126.com；

夏银水（1963-），男，浙江余姚人，教授/博士生导师，宁波大学信息科学与工程学院，主要研究方向为低功耗集成电路设计，电子设计自动化，xiayinshui@nbu. edu.cn。

Optimized Design of Self-Powered Synchronous Charge Extraction Circuit*

QU Fengxia，XIA Yinshui*，SHI Ge，YE Yidie，KOU Yanhong
（Institute of Circuits and System，Ningbo University，Ningbo Zhejiang 315211，China）

Abstract：It is an effective method to convert the mechanical energy from environment vibration into electric energy by utilizing the piezoelectric effect of piezoelectric element. Effectively extracting the accumulated charges from the surface of the piezoelectric element is the key for energy harvesting system. Hence，it is especially important to de⁃sign high efficient charge extraction circuit. This paper presents a self-powered optimized synchronous charge ex⁃traction circuit（SP-OSCE）. Two passive peak detector circuits including positive and negative peak detectors are employed to detect the extreme vibration displacement and extract energy at the extreme vibration displacement. The proposed circuit employs the component reuse method for the rectifier circuit and extrema detection circuit so that the traditional rectifier bridge structure is avoided. The circuit not only extracts the charges in clamped capaci⁃tance but also collects the charges in detection capacitance so that the energy conversion efficiency is improved. Multisim based simulation results show the efficiency and advantages compared with the published results. Further，the physical experiment is carried out and the experimental tests verify the simulation results.

Key words：energy harvesting；piezoelectric element；interface circuit；self-powered；experimental test

doi：EEACC：1210；2860A10.3969/j.issn.1004-1699.2016.03.008

收稿日期：2015-10-05修改日期：2015-12-30

中图分类号：TN712+.5

文献标识码：A

文章编号：1004-1699（2016）03-0349-07