增强型双中间电容压电能量回收电路的优化设计

丁晓亮 沈辉 曲鹏超

摘要：为提高压电振动能量回收系统接口电路的回收功率，设计了一种增强型双中间电容能量回收（E-DICH）接口电路并优化了开关的控制电路和控制策略。建立了E-DICH的电路仿真模型，通过等效电路建模的分析方法推导了E-DICH的回收功率表达式;利用Multisim仿真软件对该电路进行建模与仿真得到E-DICH的回收功率;通过实验验证了仿真的正确性。研究结果表明，E-DICH的回收功率与负载无关，其最大回收功率约为SEH电路的6倍和SECE电路的2倍。

关键词：振动能量回收;压电效应;E-DICH

中图分类号：TM619，TN384

文献标志码：A

文章编号：1006-1037（2021）01-0054-05

基金项目：

山东省自然科学基金（批准号：ZR2017MEE039）资助。

通信作者：沈辉，男，博士，副教授，主要研究方向为测控技术与智能仪器。E-mail：shenhui@qdu.edu.cn

随着微电子、无线网络和微机电系统（MEMS）等低耗能产品的应用日益广泛，以化学电池为其主要供能方式存在着诸多弊端[1]，化学电池存在使用寿命有限、需要定期更换和对环境存在污染等问题[2]。从环境中直接获取能量是解决这些问题的有效方式，目前振动能量回收的方式主要有电磁式[3]、静电式[4]和压电式[5]，相较于另外两种方式，压电式具有易于实现微型化和能量密度高等优点，因此受到广泛关注[6]。接口电路作为压电振动能量回收系统的关键组成部分之一，对提高系统的能量回收效率有至关重要的作用。Kim等[7]提出使用全桥整流桥和滤波电容组成的标准能量回收（SEH）电路，SEH电路结构简单易于实现，但能量回收效率较低，并且回收功率受负载影响较大[8]。为了解决这些问题，Lefeuvre等[9]提出了同步电荷提取（SECE）电路，解决了回收功率受负载影响的问题。Shi等[10]在SECE电路的基础上提出了一种自供电的同步电荷提取电路（SP-ESECE），该电路取消了整流桥，采用两个极值检测电路和两个MOSFET实现开关控制，减小了能量损耗。Taylor等[11]提出了串联电感同步开关（S-SSHI）电路，增加了LC振荡电路部分，提高了压电元件的电压输出，从而提高了电路的能量回收功率。Guyomar等[12]提出了类似的P-SSHI电路，S-SSHI和P-SSHI虽然获得了较大的回收功率，但是依然存在需要进行负载匹配的问题。基于同步开关电感的优势，不断优化SSHI电路[13]。Liang等[14]对多种电路进行分析后，提出了一种并联同步三次偏转接口电路（P-S3BF），由6个MOSFET组成电流驱动网络，通过执行Bias-Flip动作获得最大回收功率。在对P-SSHI和S-SSHI电路分析之后， Hsieh等[15]通过阻抗匹配原理，引入了相位延迟的开关电感电路，提出S-SSHI-φ和P-SSHI-φ两种电路拓频方法。通过实现不同频率下的阻抗匹配，提高了同步开关电路的提取带宽，回收功率也提高了66%。张宝强等[16]设计了一种双中间电容回收（DICH）电路，电路利用2个LC振荡电路、一个Buck-Boost转换器和2个中间电容组成。经过理论分析与实验验证，在恒定激振位移条件下，双中间电容回收电路的回收功率与负载无关，其回收功率是同步电荷提取电路的2倍。徐圣[17]针对目前能量回收接口电路采集效率低、需要负载匹配等缺点，提出了一种并行双中间电容器采集（P-DICH）电路。在此基础上，为减少开关的数量，本文设计了一种增强型双中间电容能量回收（E-DICH）电路，该电路使用两个二极管来代替之前的两个开关[17]，并设计了一种新的开关控制电路和开关控制策略，E-DICH简化了开关控制电路的复杂度优化了开关控制策略，并提高了电路的最大回收功率。

1 增强型双中间电容器能量采集（E-DICH）电路

E-DICH电路使用两个二极管D1和D2来代替电路前端的两个开关，以减少电路中的开关数量，使控制电路更加简单，如图1所示。相较于之前的开关控制模块，E-DICH电路中去掉了激光位移传感器和单片机部分。

L1C0C1振荡电路由压电元件受夹电容C0、电感器L1、同步开关S1、二极管D1和中间电容器C1组成;L1C0C2振荡电路部分由压电元件受夹电容C0、电感器L1、同步开关S1、二极管D2和中间电容器C2组成。Buck-Boost电路由开关S2、电感L2、二极管D3和滤波电容器Cr组成，R为负载电阻。经过理论推导，得到E-DICH电路的最大能量回收功率

PMAX=4ωC0π×γ431-γ23-γ2αUMC0-VD2η（1）

其中，Pmax为最大回收功率，UM为振动位移幅值，ω为角频率，α为力因子，VD为单二极管压降，γ为电路电压翻转系数，η为Buck-Boost电路效率。

在不考虑整流桥功率损失的情况下，通过Matlab数值计算得到SEH、SECE、P-SSHI、S-SSHI和E-DICH电路的回收功率，如图2所示。E-DICH电路参数如表1所示。

2 悬臂梁振动能量回收开关控制电路

悬臂梁振动能量回收结构模型如图3所示。压电元件PZT2与E-DICH电路连接，压电元件PZT1作为位移传感器与开关控制电路连接。开关控制电路由信号调理电路、极值检测电路和开关电路组成，如图4所示。信號调理电路由分压电路和电压跟随器组成。通过调节R4和R5的阻值实现不同比例分压，通过电压跟随器U1A实现阻抗转换。

PZT1上的电压信号被分为两个通道同步输出，一路接入到超低功耗电压比较器U4的反相输入端，另一路通过RC无源低通滤波器接入到电压比较器U4的同相输入端。由于两个信号之间存在相位差，在位移极值的瞬间，电压比较器被触发，其输出电压翻转。此外，反相器U5将电压比较器U4的输出反相。在开关控制电路中，R6是一个电位器。因此，通过改变电阻值R6可以很容易地调节两路信号的相位差。电压比较器U4的同相输入端波形、反相输入端波形和输出波形如图5所示，极值检测电路的信号输出如图6所示。

3 E-DICHD電路仿真

振动能量回收电路与PZT2连接，开关控制电路与PZT1连接。E-DICH仿真电路如图7所示。

负载直流电压Vdc和压电元件电压VC0可以通过示波器观察到，如图8所示。瓦特表测量的电路最大回收功率为462.8μW。

4 实验与结果分析

悬臂梁实验装置如图9所示。悬臂梁的一端固定，另一端自由，两个压电片元件粘贴在悬臂梁的固定端根部上表面。悬臂梁的自由端下表面吸附放置一根圆柱形磁棒，线圈分布在磁棒的周围。信号发生器产生频率和幅值恒定的信号驱动悬臂梁振动。实验装置参数如表2所示。

分别对SEH、SECE、P-SSHI、S-SSHI和E-DICH五种电路进行实验，得到五种压电振动能量回收电路在不同负载电阻值下的输出功率，结果如图10所示。

SEH、SECE、P-SSHI、S-SSHI和E-DICH电路的实验能量回收功率小于理论结果。这是因为理论计算假设输出电压保持不变，不考虑整流桥的损耗。在实验中，整流桥的导通压降和负载输出电压的波动导致了实验误差的产生。同时，由于受系统阻尼的影响，输出功率曲线不是一条直线。最终实验结果表明，E-DICH电路的能量回收功率不受负载电阻的影响，其能量回收功率约为SECE电路的1.9倍，SEH电路的5.4倍，与理论结果一致。

5 结论

本文设计了一种增强型双中间电容能量回收电路，通过Multisim电路建模仿真和实验，验证了E-DICH的可行性。E-DICH具有更高的能量回收功率和更为简化的开关控制电路，减小了电路的体积。仿真和实验结果表明，在等位移幅值激振的条件下，E-DICH的能量最大回收功率相较于SEH提高了440%，相较于SECE提高了90%。同时，E-DICH的回收功率不受负载的影响。

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