寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口電路及其直流電壓控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及振動壓電發(fā)電領(lǐng)域，特別提供一種寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口電路 及其直流電壓控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 嵌入式無線傳感技術(shù)由于具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，可工作在高速高溫腐蝕環(huán)境、 裝備內(nèi)部或偏遠(yuǎn)位置等，近些年來在工業(yè)監(jiān)控、安全監(jiān)控、智能交通、環(huán)保監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等 領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但目前無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要還是利用電池或外部電源方式進(jìn)行供 電，盡管在一定應(yīng)用場合能滿足需求，但仍存在諸多缺陷：外部電源布線困難、不易于集成 化、安裝困難；電池體積較大、使用壽命有限、替換困難、不易嵌入集成等。因此，如何為無線 傳感器節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電是目前制約嵌入式傳感發(fā)展和應(yīng)用的首要技術(shù)瓶頸。隨著無線傳感器 節(jié)點(diǎn)功耗越來越低，收集環(huán)境能量并轉(zhuǎn)化為電能為其提供持久電能正成為一種重要技術(shù)途 徑，其中尤以振動壓電發(fā)電受到關(guān)注最多，這是因為環(huán)境中振動普遍存在，且壓電發(fā)電能量 密度高、易于微小化集成。
[0003] 壓電發(fā)電輸出的是大電壓、高阻抗、小電流的交流電，不能直接為負(fù)載供電，必須 進(jìn)行交流電到直流電（AC-DC)轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)橋式整流電路雖然可以方便地實現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換， 但缺點(diǎn)是它要求負(fù)載阻抗與壓電電源輸出阻抗匹配，以保證負(fù)載上獲取最大的能量。而壓 電發(fā)電的輸出阻抗很高，難以實現(xiàn)阻抗匹配。針對該問題，近年來基于同步開關(guān)的非線性 接口電路受到高度關(guān)注和廣泛應(yīng)用，其基本思想是當(dāng)壓電振子到達(dá)最大振幅位置時閉合開 關(guān)，此時產(chǎn)生電荷累積最多，之后再通過電感與壓電材料寄生電容形成LC振蕩回路將累積 電荷全部提取出來。非線性接口電路與傳統(tǒng)橋式整流電路相比，大大提高了 AC-DC的轉(zhuǎn)換 效率。
[0004] 但是，上述非線性接口電路的AC-DC轉(zhuǎn)換效率取決于整流電容電壓與最優(yōu)電壓的 接近程度。二者越接近則AC-DC轉(zhuǎn)換效率越大。在一些應(yīng)用場合，環(huán)境振動并不是單頻的， 而是分布在寬頻帶內(nèi)，有的甚至是時變的。在這些環(huán)境下使用的非線性接口電路的整流電 容電壓，會隨環(huán)境振動發(fā)生改變，有時會嚴(yán)重偏離該最優(yōu)電壓，造成非線性接口電路AC-DC 轉(zhuǎn)換效率大大降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口電路及其直流電壓控 制方法，本發(fā)明主要解決了現(xiàn)有非線性接口電路在寬頻帶環(huán)境中AC-DC轉(zhuǎn)換效率低的技術(shù) 問題。
[0006] 本發(fā)明提供一種寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口電路，包括：電子開關(guān)電路，外接寬 頻帶壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的輸出端，用于檢測振動激勵的最大幅值；橋式整流電路，用于將寬頻帶 壓電發(fā)電輸出的交流電轉(zhuǎn)化為直流電；電壓控制電路，用于調(diào)整橋式整流電路中整流電容 兩端的電壓范圍為[VT"VTH]，使1:^：^^，:^為整流電容的最優(yōu)電壓；0(：-0(：轉(zhuǎn)換電 路，用于將橋式整流電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為低直流電壓；上述四個組成電路串聯(lián)電連 接。
[0007] 進(jìn)一步地，電壓控制電路包括與橋式整流電路電連接的施密特觸發(fā)器模塊A和耦 合于施密特觸發(fā)器模塊的穩(wěn)壓管Dn, D12，施密特觸發(fā)器模塊的正閾值為V TH、反閾值電壓 為穩(wěn)壓管D m D12，輸出端耦合于DC-DC轉(zhuǎn)換電路，用于保證電壓控制電路的輸出電平不 超出DC-DC轉(zhuǎn)換電路允許的電平范圍。
[0008] 進(jìn)一步地，施密特觸發(fā)器模塊U i的輸入端與橋式整流電路的輸出端相連，施密 特觸發(fā)器模塊A的輸出端與穩(wěn)壓管D n，D12相連，同時施密特觸發(fā)器模塊U i的輸出端還與 DC-DC轉(zhuǎn)換電路的使能端相連。
[0009] 進(jìn)一步地，電子開關(guān)電路包括彼此通過電感線圈L串聯(lián)的振動波峰檢測器和振動 波谷檢測器，振動波峰檢測器用于檢測振動激勵的波峰時刻，包括電容Q、電阻&、二極管 Dp D2, 03和三極管1\，T2;振動波谷檢測器用于檢測振動激勵的波谷時刻，電容C2、電阻R 2、二 極管D4, D5,隊和三極管T 3, T4。
[0010] 進(jìn)一步地，振動波峰檢測器由電容Q、電阻札、二極管Dd D2, D3和三極管T u ^組 成，電容Q的一端與二極管D i相連接，另一端與電感線圈L相連接，二極管D i的另一端與 電阻札相連接，三極管T i的基極同時與電阻R i和電容D 3的一端相連接；三極管T i的發(fā)射 極分別與二極管Di和電容C i的一端相連接，三極管T i的集電極與二極管D 2的一端相連接， 三極管T2的基極與二極管D 2的一端相連接，三極管T 2的發(fā)射極與電感電容L的一端相連 接，三極管Τ2的集電極與二極管D 3的一端相連接。
[0011] 進(jìn)一步地，振動波谷檢測器由電容C2、電阻R2、二極管D 4, D5,隊和三極管Τ 3,八組 成，其中：電容C2的一端與二極管D 4相連接，另一端與電感電容L相連接，二極管D 4的另一 端與電阻私相連接；三極管T 3的基極分別與電阻R 2和二極管D 4的一端相連接，三極管T 3的發(fā)射極分別與二極管D4和電容C 2的一端相連接，三極管T 3的集電極與二極管D 5的一端 相連接，三極管T4的基極與二極管D 5的一端相連接，三極管T 4的發(fā)射極與電感電容L的一 端相連接，三極管Τ4的集電極與二極管D 6的一端相連接。
[0012] 進(jìn)一步地，橋式整流電路包括四個彼此橋式電連接的整流二極管和與整流二極管 的輸出端電連接的整流電容，整流二極管為導(dǎo)通壓降小于〇. 7伏的肖特基二極管。
[0013] 進(jìn)一步地，DC-DC轉(zhuǎn)換電路為DC-DC轉(zhuǎn)換芯片；寬頻帶壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)由壓電材料和 彈性基體組成，壓電材料為鋯鈦酸鉛壓電材料或聚偏氟乙烯壓電材料；彈性基體為鋁基體 或銅基體；壓電結(jié)構(gòu)為矩形、梯形、三角形或圓形。
[0014] 進(jìn)一步地，所用電能由壓電發(fā)電產(chǎn)生。
[0015] 本發(fā)明另一方面還提供了一種如上述電路的直流電壓控制方法，包括以下步驟：
[0016] 1)寬頻帶壓電發(fā)電輸出電壓流經(jīng)電子開關(guān)電路和橋式整流電路后，為電壓控制電 路和DC-DC轉(zhuǎn)換電路供電；2)當(dāng)橋式整流電路中的整流電容兩端輸出電壓V_t大于電壓控 制電路的正向閾值電壓VTH時，DC-DC轉(zhuǎn)換電路啟動，整流電容放電使得V μ減?。划?dāng)V μ 小于電壓控制電路的反向閾值電壓V&時，DC-DC轉(zhuǎn)換電路關(guān)閉，整流電容充電使得V 增 加；3)整流電容的最優(yōu)電壓處于[VTl，VTH]范圍內(nèi)，V_t始終保持接近?=。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0018] 本發(fā)明提供的寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口電路通過在傳統(tǒng)非線性接口電路中 增加了電壓控制電路，從而使得整流電容兩端電壓保持在最優(yōu)電壓附近，提高了該電路對 寬頻帶壓電發(fā)電的AC-DC轉(zhuǎn)換效率。
【附圖說明】
[0019] 現(xiàn)在將參考附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其中：
[0020] 圖1是本發(fā)明的寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2是本發(fā)明寬頻帶壓電發(fā)電系統(tǒng)等效電路示意圖；
[0022] 圖3是實測Vract電壓波形；
[0023] 圖4是傳統(tǒng)非線性接口電路與本發(fā)明提供的電路的使用效果對比圖。
【具體實施方式】
[0024] 本發(fā)明提供了一種用于寬頻振動壓電發(fā)電的寬頻帶壓電發(fā)電用非線性接口電路， 包括：電子開關(guān)電路，外接寬頻帶壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的輸出端，用于檢測振動激勵的最大幅值； 橋式整流電路，用于將寬頻帶壓電發(fā)電輸出的交流電轉(zhuǎn)化為直流電；電壓控制電路，用于調(diào) 整橋式整流電路中整流電容兩端的電壓范圍為[V，VTH]，使匕，為整流電容 的最優(yōu)電壓；DC-DC轉(zhuǎn)換電路，用于將橋式整流電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為低直流電壓；上 述四個電路串聯(lián)電連接。
[0025] 通過設(shè)置電控制電路實現(xiàn)對橋式整流電路中整流電容兩端的電壓進(jìn)行控制，使其 一直處于最優(yōu)電路的附近，避免在寬頻帶環(huán)境中容易出現(xiàn)的，由于該電壓偏離最優(yōu)值過遠(yuǎn) 導(dǎo)致的，AD-DC轉(zhuǎn)換效率過低的問題出現(xiàn)。從而提高了非線性接口電路的