一种高效快速稳定压电能量存储电路*

2018-08-03王根圣陈荷娟蔡建余孙加存

传感器与微系统 2018年8期

王根圣, 陈荷娟，蔡建余,2，孙加存,3

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094；2.南京科技职业学院，江苏南京 210048；3.苏州市职业大学电子信息工程学院，江苏苏州 215000)

0 引言

随着无线传感器网络及微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)集成电路的快速发展，网络传感节点供能问题一直受到广泛关注。压电式能量收集装置因具有结构简单、无污染、易小型化等优点，适合用于各类传感及监测系统[1]。目前出现了大量的能量采集电路，但较多采用有源方式实现同步开关控制，与自供能的初衷相悖,且能量收集效果仍然微小，仅有几毫瓦(mW)，甚至微瓦(μM)级别。

为此，本文在串联电感同步电荷采集电路(series-synchronous switching harvesting on inductor,S-SSHI)的研究基础上，分析并设计了一种高功率输出且快速稳定的压电能量存储电路。

1 模型分析

模型采用陈荷娟等人[2]研制的小型气流致声振动压电换能器，该结构具有小体积高能量且稳定输出的特征。结构原理如图1所示。系统主要包括3个模块：气流调理机构、气流致声机构和声/电换能机构。1)气流调理机构由环隙型进气道组成。外部气流在近进气口迅速转捩形成速度场发展分布均匀的湍流，喷嘴出流口喷注的压力脉动，因出现旋涡脱落，在空腔内形成涡环。2)气流致声机构由喷注、空腔、尖劈、共振腔构成，涡环的脉动压力场冲击共振腔尖劈，产生边棱音，由于声波在共振腔底部发生全反射，所以，在共振腔内形成稳定的驻波，在共振腔口部的声强被放大，于是产生了一个频率、振幅稳定的流体动力声源[3,4]。3)声/电换能机构由共振腔、压电振子、端盖组成，压电振子包括1根导电的圆铜片以及贴附在其上的陶瓷片。共振腔内的稳定声波与换能器的固有频率接近，激励压电片振动输出最高电压。气流致声过程是一个复杂的非线性过程，可认为是由不稳定射流、尖劈和共振腔三者之间流—声—固耦合作用过程。

图1 气流致声振动压电发电机原理

压电换能器可等效为电荷源与电容器并联或电压源与电容器串联[5]。经试验测量，接口电路的电源输入参数为Vi=22 V，f=1.87 kHz，CP=6 nF。

2 改进无源S-SSHI电路设计

S-SSHI如图2所示，在经典能量采集电路的基础上添加了与压电振子串联的电感器L和开关S。当压电振子两端电压随位移正弦变化达到极值时，闭合S，L与CP形成振荡回路，压电振子上存储的电荷在1/2LCP振荡周期内通过L转移至RL；转移完成后，S断开，由储能电容器Cr向RL供电。电路工作的特点是始终保持压电振子两端电压与结构振动速度同相，周期性地将压电振子两端的电荷转移至储能元件中[6]。

图2 S-SSHI

负载两端的输出功率为

(1)

式中γ为电压翻转系数，Vo为压电振子峰值电压。

最大输出功率为

(2)

压电能量采集的过程中需要考虑的一个重要因素是要能够实现自供能。为此，需要给图2中开关S设计出一种低功耗的同步控制开关电路。Richard C等人[7]提出了一种峰值电压检测的开关型分流电路，如图3所示。

通过对峰值电压检测电路模拟仿真以及在分析的基础上进行了优化，如图4所示。原电路中D2的功能主要是将C1端的信号单向转移至T1发射极端，但因为D1的存在，电流无法从C1向R1流过，因此D2元器件可省去，减少功耗；R2在原电路中的功能主要起降压作用，但由于C1在电路中跟随并保持压电振子两端的电压需要一定的时间滞后，而这时压电振子端的电压早已下降许多，T1发射极与基极间电压差高于导通电压，通过模拟仿真实验，R2在电路中的降压作用可去除；原电路中R3的作用主要是将T1集电极的信号转移至T2基极。T2基极再与集电极进行电压比较，当T2基极电压高于集电极电压时导通，此时T2基极电压应尽可能大些。R3势必会引起较大压降，更为合理的做法应该换成压降几乎可忽略不计的单向导通二极管，或者直接去除电阻器R3，用二级管D4代替。