无源同步开关电感电路实验系统设计

孙加存，卢 晨

（苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 215104）

当压电材料受到外力作用发生变形时，会在其上下表面产生电荷。如果把压电材料与金属底板做成压电振子，让压电振子进行周期性的振动，则压电振子会产生连续的电压，若把该电能贮存下来，进行稳压，则可以给一些低功耗的电路进行供电。当压电振子的驱动频率与其固有频率一致时，压电振子产生最大变形，两端的电压值达到最大。但因压电振子等效电容很小，振子两端电压很高、电流小，电能在转移过程中会出现损耗，如何使压电能量高效地转移是目前研究的重点之一。

传统的压电能量转移技术常采用桥式整流电路（SEH）进行电能转移，但把压电振子产生的交流信号进行整流，因其输出功率受负载影响很大，转移效率较低。文献[1]提出运用填谷电路提高压电能量转移效率，理论与实验表明这一方法能在一定程上提高能量转移效率，但幅度不大。文献[2]——文献[4]提出运用同步开关与电感技术提高压电电能转移效率，该方法称为同步开关电感电路（SSHI）。如果开关与电感串联，再与压电信号并联后接入桥式整流电路，称为并联SSHI电路；如果开关与电感串联，再与压电信号串联后接入桥式整流电路，称为串联SSHI电路，理论显示这两种电路都可以有效地提升压电能量转移效率，从而提高压电发电机的功率。同步开关电感电路在实际使用中的关键问题是其现实实现，目前同步开关主要分为有源与无源两类。有源同步开关主要应用于仿真与理论研究，一般不能用于实际应用。文献[5]提出一种无源开关的设计方法，即设计一种峰值检测电路对压电电信号峰值进行检测，主要是运用晶体管的导通与截止对峰值进行检测，当到达峰值时打开开关，但该文献没有对此类电路本身的功耗进行分析，而且是在电压峰值过后利用一个二极管的导通电压才能打开同步开关，故不能保证在峰值时刻同步打开开关。文献[6]采用信号发生器产生的信号模拟压电电压信号，进行SSHI电路的实验研究，这与实际的压电振子产生的电压能量转移过程还是有所区别。限于无源同步开关实现较难，目前实际应用中利用压电材料进行无源同步开关电感电路的实验很少。本研究利用无源磁性同步开关，运用LTC3588集成芯片，设计无源同步开关电感电路与稳压电路，给负载进行供电，设计了压电发电机系统并进行了实验，该实验方法与结果可为压电电源设计提供参考。

1 原理介绍

1.1 压电能量产生原理

压电发电机的示意图如图1所示，使压电振子一端自由，一端固定，用强力胶将圆形磁铁粘在自由端的金属板上；直流电机驱动圆形有机玻璃转动，有机玻璃上面贴有两个极性相反的磁铁，用一个无源磁性开关对着有机玻璃，直流电机的转速由其驱动电压控制，电压越高转速越快。当电机旋转一个周期，有机玻璃上面的磁铁施加给压电振子两种不同方向的磁力，驱动压电振子振动，同时磁铁吸合磁性开关两次。可合理布置磁性开关的位置，保证磁性开关在压电波形的正峰值与负峰值进行闭合[7]。设两磁铁之间的力为F，则

图1 压电发电机示意图

式中：µ为空气中的导磁率；m1、m2是单位韦伯的两个磁极的磁通量；d是两磁极的距离。

设l、w、t分别为压电振子的长、宽、厚，tm为金属片的厚度，tp为压电晶体的厚度，ts为压电晶体上表面到中心层的距离，g31为压电常数，a为压电振子厚度与金属基板的厚度之比，β为金属基板弹性模量与压电晶体弹性模量之比，则tz可近似为[8]

1.2 能量转移机理

传统的能量转移电路为桥式整流电路（SHE），电路结构简单，其结构示意图可以将图2的电感L1与开关J1去掉，用导线代替。当压电振子振动时，产生的周期性电压，通过桥式整流电路给电容充电，其能量转移效率与压电振子的等效电容及电容C1的值有关[1]：压电振子的等效电容越大，C1电容值越小，能量转移效率越高，但因C1电容上面的电压纹波较大，要想作为电路的电源使用，则要接上稳压电路，该电路的功率输出与负载电阻有关；而实际使用时，电路的负载是变化的，这导致实际能量转移效率不高。

文献[2]、文献[3]分别提出了一种在压电元件与整流桥之间串联一个电感与一个同步开关的电路，称为串联同步开关电感能量提取电路（S-SSHI），如图2所示。当压电振子的输出电压到达峰值时，同步开关闭合，压电振子的等效电容与电感L1构成一个LC振荡电路，经过1/2个振荡周期后，压电振子产生的能量转移到储能电容器C1中，然后断开同步开关，压电振子两端电压实现极性翻转，完成一个能量提取周期，这可以有效地增大压电振子的开路电压输出。

图2 串行S-SSHI电路

文献[4]提出一种在压电振子与整流桥之间并联一个同步开关J1与电感L1的电路，称为并联同步开关电感电路（P-SSHI），如图3所示。该电路的工作过程与串行电压提取电路基本一致，当压电振子的变形位移达到最大值时，同步开关电路闭合，压电振子的等效电容和电感L1形成一个LC振荡电路，其振荡频率远大于压电振子的振动频率。在压电振子输出电压峰值时，同步开关闭合，压电振子的电压发生极性变化，使压电振子在振幅减小的过程中电荷没有减少。并行SSHI电路在压电振子峰值没有到来时，也给后面的电容进行充电，保证了负载电压的稳定性。

图3 并行P-SSHI电路

2 电路设计及实验结果

2.1 无源同步电感压电发电系统电路设计

由于传统的基于无源同步电感电路的实验装置很难搭建，故无源同步电感电路实现难度很大。本研究基于小型磁性开关，利用电机转动产生无源同步开关信号，同时运用磁力驱动压电振子振动，设计并行与串行无源同步电感电路发电系统，电路如图4、图5所示，电路结合LTC3588芯片进行设计。LTC3588集成了高效降压转换器和低噪音全波整流,构成完整的能量收集电路，输入电压2.7-20 V,输出电流达100 mA，输出电压可选1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V，本电路采用输出电压为3.3 V的电路方案，符合常用的电路电源电压要求，负载采用100 KΩ可变电阻进行模拟，电路图中的J1为同步开关。

图4 并行SSHI实验电路

图5 串行SSHI实验电路

2.2 实验系统

压电振子的材料为PZT-51，单晶板结构，选择铜片为基板，压电片长40 mm、宽20 mm、厚0.25 mm，基板长60 mm、宽20 mm、厚0.30 mm。压电材料的性能参数为：压电应变常数d31为-88.1×10-12C/N，介电常数ε33T为2×10-8F/m，密度ρp为7.6×103 kg/m3，弹性模量Ep为8.2×10-10N/m2。铜的密度ρm为8.8×103kg/m3，弹性模量Em为12.4×10-10N/m2，压电振子的等效电容为45.2 nF。压电振子一端自由一端固定，上面用强力胶贴上永磁铁，磁铁直径9 mm，厚度2 mm，钕铁硼材质为N35。采用直流工作电压24 V电机，电压控制转速，两个同样的磁铁贴在有机玻璃表面，磁铁朝外的极性相反，尺寸如图1所示，开关采用M5×30 mm小型无源磁性开关，常开型，最大开关电压为100 V，最小检测距离1 mm。实验装置模块如图6所示。

图6 实验装置模块图

2.3 实验结果及分析

1）压电振子谐振频率的确定。压电振子固定，施加一个冲击力使压电振子自由振动，采集压电振子的振荡波形，如图7所示，测得两个峰值之间时长约22.5 ms，则压电振子固有谐振频率约44 Hz。

图7 压电振子谐振频率测试图

2）同步开关信号的产生。根据文献[7]，按图1所示搭建实验装置，把LTC3588芯片改成双路数据采集卡，一路进行压电振子电压信号采集，一路进行同步开关信号的采集。调整直流电机的工作电源，直流电机带动圆形有机玻璃转动，测得当直流电机的工作电压为12.6 V时，压电振子达到谐振状态，磁性开关在压电振子的峰值进行闭合，产生同步开关信号，采集的图形如图8所示。上面部分为同步开关闭合的电压U1的波形，下面部分为压电振子产生的电压U2的波形。从图8可以看出,压电振子的频率为44 Hz，同步开关信号的频率为88 Hz，同步开关在压电振子电压信号的正负峰值精确闭合。

图8 同步开关信号产生图

3）传统桥式整流电路带负载能力测试。按图6所示实验装置，把其中的同步开关与电感去掉，选择负载为100 KΩ，直流稳压电源为12.6 V，压电振子出现谐振现象时，电压幅值最大，波形如图9所示。此时负载电阻上电压为3.3 V，调小负载阻值，当负载电压出现明显减小时，关闭直流稳压电源，测试得负载阻值为38.53 KΩ。

4）并行SSHI电路带负载能力测试。按图4所示电路图，并行接上同步开关及电感，选择负载为100 KΩ，直流稳压电源为14.6 V，测试压电振子输出电压波形，如图10所示。此时负载电阻电压为3.3 V，调小负载阻值，当负载电压出现明显减小时，关闭直流稳压电源，测试得负载阻值为22.21 KΩ。

图10 并行SSHI电路压电振子输出电压波形

5）串行SSHI电路带负载能力测试。按图5所示电路图，串行接上同步开关及电感，选择负载为100 KΩ，直流稳压电源为12.6 V，测试压电振子输出电压波形，如图11所示。此时负载电阻电压为3.3 V，调小负载阻值，当负载电压出现明显减小时，关闭直流稳压电源，测试得负载阻值为33.05 KΩ。

从图9-图11可以看出，当采用传统的桥式电路时，压电振子的波形近似为一正弦波形，输出的电压峰值为9 V左右，压电振子一直给负载供电，峰值较平滑。采用并行SSHI电路时，压电振子在峰值时，极性突然发生跳变，同步开关断开时，压电振子也给负载供电，电压峰值相对较平滑，峰值可以达到15 V左右。采用串行SSHI供电时，平时不给负载供电，压电振子产生的波形峰值比较尖锐，峰值可达到17 V，在电压峰值处，同步开关闭合，极性进行了翻转，电压幅值突然降低。由实验数据分析，采用LTC3588压电能量收集芯片进行3.3 V稳压时，传统桥式电路输出功率为0.28 mW，并行SSHI电路输出最大功率为0.49 mW，比传统桥式电路提升约75%，串行SSHI电路输出最大功率为0.33 mW,比传统桥式电路提升约18%。

图9 桥式电路压电振子输出电压波形

图11 串行SSHI电路压电振子输出电压波形

3 结论

随着电子加工技术的发展，电路功耗一直在降低，压电材料作为环境能量采集的一种主要方式，得到越来越广泛的使用。本研究通过电压控制电机转动，磁铁无接触驱动压电振子振动，增加了压电振子的使用寿命。利用小型磁性开关，电机转动时，磁铁接近磁性开关，使开关闭合，通过合理布置磁性开关的位置，可使磁性开关在压电振子最大位移时进行闭合，产生同步开关信号。把同步开关接入到并行SSHI与串行SSHI电路中，利用STC3588压电能量收集芯片，进行传统桥式电路、并行SSHI电路、串行SSHI电路的带负载能力测试。测试结果表明，并行SSHI电路带负载能力最强，传统桥式整流电路带负载能力最小。今后可在电感的数值计算、同步开关信号打开的时间、磁性开关的位置等方面进行进一步的理论研究，使压电振子的能量转移效率得到提高，从而提升压电电源系统的带负载能力。