一种压电式振动能量采集电路的制作方法

本发明涉及一种能量采集电路结构，尤其是一种压电式振动能量采集电路。

背景技术：

压电式振动能量采集是一种利用压电材料的压电效应，对环境中的振动能进行采集的方法。由于压电陶瓷元件的输出电压是交流信号，而一般的电子设备是由直流电源供电的，因此，在压电陶瓷元件和电子设备之间需要一个接口电路，通过接口电路实现交流电压到直流电压的转变。最先提出来的接口电路是标准能量俘获电路，由一个二极管桥式整流电路和一个滤波电容构成，这种结构的优点是电路简单，稳定可靠，但是，由于存在二极管的阈值电压损失，使得电路的采集效率低下，而且这个结构的采集效率容易受负载的大小影响。为了提高振动能量的采集效率，研究者提出了多种能量采集电路，主要有同步开关电感技术、自供电的同步电荷提取技术、基于倍压整流的能量采集技术以及一些相关的衍生技术等。

为了能从环境中获取更多的能量，提高采集的总能量，有研究人员提出了多源的能量采集系统，从环境中的振动能、热能、微波辐射等能源采集能量，但是由于不同能源产生的信号完全不同，不同的信号不能直接耦合在一起，所以一般的多源能量采集系统，通常采用比较法，即通过比较两种能量的大小，选择采集其中能量较大的一种能量，因此会导致另一种能量无法被采集，而且这种多源的能量采集系统复杂性会大大增加，而且制作难度也相应提高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够对压电式振动能量进行高效提取的压电式振动能量采集电路。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种压电式振动能量采集电路，包括温差发电片、压电陶瓷元件、正半周期峰值检测模块、负半周期峰值检测模块、第一nmos管、第二nmos管、第三nmos管、第四nmos管、二极管、第一pmos管、第二pmos管、直流变换器、第一电感、储能电容和负载，所述的温差发电片的正极与所述的直流变换器的正向输入端连接，所述的温差发电片的负极与所述的直流变换器的负向输入端连接，所述的直流变换器的负极输出端接地，所述的直流变换器的正极输出端、所述的正半周期峰值检测模块的供电电源端及所述的负半周期峰值检测模块的供电电源端连接，所述的正半周期峰值检测模块的负端和所述的负半周期峰值检测模块的负端均接地，所述的压电陶瓷元件的正极、所述的正半周期峰值检测模块的正极端、所述的第一nmos管的漏极、所述的第二nmos管的栅极、所述的第三nmos管的源极及所述的第二pmos管的栅极连接，所述的压电陶瓷元件的负极、所述的第一nmos管的栅极、所述的第二nmos管的漏极、所述的负半周期峰值检测模块的正极端、所述的第一pmos管的栅极及所述的第四nmos管的源极连接，所述的第一nmos管的源极、所述的第二nmos管的源极、所述的第一电感的一端及所述的二极管的正极均接地，所述的二极管的负极、所述的储能电容的正极及所述的负载的一端连接，所述的正半周期峰值检测模块的输出端与所述的第三nmos管的栅极连接，所述的负半周期峰值检测模块的输出端与所述的第四nmos管的栅极连接，所述的第三nmos管的漏极与所述的第一pmos管的源极连接，所述的第四nmos管的漏极与所述的第二pmos管的源极连接，所述的第一pmos管的漏极、所述的第二pmos管的漏极、所述的第一电感的另一端、所述的储能电容的负极及所述的负载的另一端连接。

所述的正半周期峰值检测模块包括第三pmos管、第四pmos管、第五pmos管、第六pmos管、第七pmos管、第五nmos管、第六nmos管、第七nmos管、第八nmos管、第九nmos管、第十nmos管、第一电容、第二电容和第一电阻，所述的负半周期峰值检测模块包括第八pmos管、第九pmos管、第十pmos管、第十一pmos管、第十二pmos管、第十一nmos管、第十二nmos管、第十三nmos管、第十四nmos管、第十五nmos管、第十六nmos管、第三电容、第四电容和第二电阻，所述的第一电容的一端与所述的压电陶瓷元件的正极连接，所述的第一电容的另一端、所述的第五nmos管的漏极、所述的第五nmos管的栅极及所述的第六nmos管的栅极连接，所述的第六nmos管的漏极、所述的第三pmos管的漏极、所述的第三pmos管的栅极及所述的第四pmos管的栅极连接，所述的第三pmos管的源极、所述的第四pmos管的源极、所述的第五pmos管的源极、所述的第六pmos管的源极、所述的第七pmos管的源极及所述的直流变换器的正极输出端连接，所述的第五nmos管的源极、所述的第六nmos管的源极、所述的第七nmos管的源极、所述的第八nmos管的源极、所述的第九nmos管的源极、所述的第十nmos管的源极及所述的第一电阻的一端均接地，所述的第四pmos管的漏极、所述的第五pmos管的栅极、所述的第七nmos管的漏极及所述的第八nmos管的栅极连接，所述的第七nmos管的栅极与由所述的直流变换器的正极输出端经过分压得到的基准电压连接，所述的第五pmos管的漏极、所述的第二电容的一端及所述的第八nmos管的漏极连接，所述的第二电容的另一端、所述的第一电阻的另一端、所述的第六pmos管的栅极及所述的第九nmos管的栅极连接，所述的第六pmos管的漏极、所述的第九nmos管的漏极、所述的第七pmos管的栅极及所述的第十nmos管的栅极连接，所述的第七pmos管的漏极、所述的第十nmos管的漏极及所述的第三nmos管的栅极连接，所述的第三电容的一端与所述的压电陶瓷元件的负极连接，所述的第三电容的另一端、所述的第十一nmos管的漏极、所述的第十一nmos管的栅极及所述的第十二nmos管的栅极连接，所述的第十二nmos管的漏极、所述的第八pmos管的漏极、所述的第八pmos管的栅极及所述的第九pmos管的栅极连接，所述的第八pmos管的源极、所述的第九pmos管的源极、所述的第十pmos管的源极、所述的第十一pmos管的源极、所述的第十二pmos管的源极及所述的直流变换器的正极输出端连接，所述的第十一nmos管的源极、所述的第十二nmos管的源极、所述的第十三nmos管的源极、所述的第十四nmos管的源极、所述的第十五nmos管的源极、所述的第十六nmos管的源极及所述的第二电阻的一端均接地，所述的第九pmos管的漏极、所述的第十pmos管的栅极、所述的第十三nmos管的漏极及所述的第十四nmos管的栅极连接，所述的第十三nmos管的栅极与由所述的直流变换器的正极输出端经过分压得到的基准电压连接，所述的第十pmos管的漏极、所述的第四电容的一端及所述的第十四nmos管的漏极连接，所述的第四电容的另一端、所述的第二电阻的另一端、所述的第十一pmos管的栅极及所述的第十五nmos管的栅极连接，所述的第十一pmos管的漏极、所述的第十五nmos管的漏极、所述的第十二pmos管的栅极及所述的第十六nmos管的栅极连接，所述的第十二pmos管的漏极、所述的第十六nmos管的漏极及所述的第四nmos管的栅极连接。正半周期峰值检测模块和负半周期峰值检测模块均由温差发电片采集的能量经过升压以后来供电，且正半周期峰值检测模块和负半周期峰值检测模块的功耗很低，此外，从压电陶瓷元件流进正半周期峰值检测模块和负半周期峰值检测模块的电流也极其微弱，相比于流进第一电感的电流几乎可以忽略，因此保证了对振动能量进行采集时的高效性；在压电陶瓷元件两端电压达到峰值时，压电陶瓷元件内部等效电容上的电荷全部转移到第一电感上；在第一电感上的电流达到最大值的瞬间立即断开开关，使得第一电感上存储的能量经过二极管全部流向负载端，从而保证整个系统对压电振动能的采集效率尽可能的最高。

所述的直流变换器包括型号为tps61200的低输入电压同步升压转换芯片、第五电容、第六电容、第七电容、第三电阻、第四电阻和第二电感，所述的温差发电片的正极、所述的第五电容的一端、所述的第二电感的一端、所述的低输入电压同步升压转换芯片的vin引脚、所述的低输入电压同步升压转1换芯片的en引脚、所述的低输入电压同步升压转换芯片的ps引脚及所述的低输入电压同步升压转换芯片的uvlo引脚连接，所述的第五电容的另一端接地，所述的第二电感的另一端与所述的低输入电压同步升压转换芯片的l引脚连接，所述的低输入电压同步升压转换芯片的gnd引脚和所述的低输入电压同步升压转换芯片的pgdn引脚均接地，所述的低输入电压同步升压转换芯片的vout引脚、所述的第三电阻的一端、所述的第六电容的一端及所述的第三pmos管的源极连接，所述的低输入电压同步升压转换芯片的vaux引脚与所述的第七电容的一端连接，所述的第七电容的另一端接地，所述的低输入电压同步升压转换芯片的fb引脚、所述的第三电阻的另一端及所述的第四电阻的一端连接，所述的第四电阻的另一端和所述的第六电容的另一端均接地。直流变换器的作用是将温差发电片产生的直流电压抬升至正半周期峰值检测模块和负半周期峰值检测模块所需的供电电压，选取ti公司的低输入电压同步升压转换芯片tps61200及其经典电路结构，可以实现将0.3～5.5v的输入电压，转换为1.8～5.5v的输出电压。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过将第一电感与压电陶瓷元件内的等效电容发生lc振荡，将压电陶瓷元件内的等效电容上的电荷转移到第一电感上，在第一电感上的电流达到最大值的瞬间，通过正半周期峰值检测模块立即断开第三nmos管或通过负半周期峰值检测模块立即断开第四nmos管，将存储在第一电感上的能量通过二极管全部流向负载，直流变换器将温差发电片产生的很低的直流电压抬升至可以供正半周期峰值检测模块和负半周期峰值检测模块正常工作的电压，以及给正半周期峰值检测模块和负半周期峰值检测模块提供偏置电压；整体电路是完全自供电的，不仅提高了对压电式振动能量的采集效率，而且采集效率受负载的影响较小；整体电路将热能作为一种辅助能源，成功解决了不同能量之间的耦合问题，从而提高对压电式振动能量的采集效率，而且在较宽的低频带内均可以正常工作。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为本发明中正半周期峰值检测模块的电路结构示意图；

图3为本发明中负半周期峰值检测模块的电路结构示意图；

图4为本发明中直流变换器的电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

一种压电式振动能量采集电路，包括温差发电片u1、压电陶瓷元件u2、正半周期峰值检测模块u3、负半周期峰值检测模块u4、第一nmos管n1、第二nmos管n2、第三nmos管n3、第四nmos管n4、二极管d1、第一pmos管p1、第二pmos管p2、直流变换器u5、第一电感l1、储能电容cr和负载rl，温差发电片u1的正极与直流变换器u5的正向输入端连接，温差发电片u1的负极与直流变换器u5的负向输入端连接，直流变换器u5的负极输出端接地，直流变换器u5的正极输出端、正半周期峰值检测模块u3的供电电源端及负半周期峰值检测模块u4的供电电源端连接，正半周期峰值检测模块u3的负端和负半周期峰值检测模块u4的负端均接地，压电陶瓷元件u2的正极、正半周期峰值检测模块u3的正极端、第一nmos管n1的漏极、第二nmos管n2的栅极、第三nmos管n3的源极及第二pmos管p2的栅极连接，压电陶瓷元件u2的负极、第一nmos管n1的栅极、第二nmos管n2的漏极、负半周期峰值检测模块u4的正极端、第一pmos管p1的栅极及第四nmos管n4的源极连接，第一nmos管n1的源极、第二nmos管n2的源极、第一电感l1的一端及二极管d1的正极均接地，二极管d1的负极、储能电容cr的正极及负载rl的一端连接，正半周期峰值检测模块u3的输出端与第三nmos管n3的栅极连接，负半周期峰值检测模块u4的输出端与第四nmos管n4的栅极连接，第三nmos管n3的漏极与第一pmos管p1的源极连接，第四nmos管n4的漏极与第二pmos管p2的源极连接，第一pmos管p1的漏极、第二pmos管p2的漏极、第一电感l1的另一端、储能电容cr的负极及负载rl的另一端连接。

正半周期峰值检测模块u3包括第三pmos管p3、第四pmos管p4、第五pmos管p5、第六pmos管p6、第七pmos管p7、第五nmos管n5、第六nmos管n6、第七nmos管n7、第八nmos管n8、第九nmos管n9、第十nmos管n10、第一电容c1、第二电容c2和第一电阻r1，负半周期峰值检测模块u4包括第八pmos管p8、第九pmos管p9、第十pmos管p10、第十一pmos管p11、第十二pmos管p12、第十一nmos管n11、第十二nmos管n12、第十三nmos管n13、第十四nmos管n14、第十五nmos管n15、第十六nmos管n16、第三电容c3、第四电容c4和第二电阻r2，第一电容c1的一端与压电陶瓷元件u2的正极连接，第一电容c1的另一端、第五nmos管n5的漏极、第五nmos管n5的栅极及第六nmos管n6的栅极连接，第六nmos管n6的漏极、第三pmos管p3的漏极、第三pmos管p3的栅极及第四pmos管p4的栅极连接，第三pmos管p3的源极、第四pmos管p4的源极、第五pmos管p5的源极、第六pmos管p6的源极、第七pmos管p7的源极及直流变换器u5的正极输出端连接，第五nmos管n5的源极、第六nmos管n6的源极、第七nmos管n7的源极、第八nmos管n8的源极、第九nmos管n9的源极、第十nmos管n10的源极及第一电阻r1的一端均接地，第四pmos管p4的漏极、第五pmos管p5的栅极、第七nmos管n7的漏极及第八nmos管n8的栅极连接，第七nmos管n7的栅极与由直流变换器u5的正极输出端经过分压得到的基准电压vbias连接，第五pmos管p5的漏极、第二电容c2的一端及第八nmos管n8的漏极连接，第二电容c2的另一端、第一电阻r1的另一端、第六pmos管p6的栅极及第九nmos管n9的栅极连接，第六pmos管p6的漏极、第九nmos管n9的漏极、第七pmos管p7的栅极及第十nmos管n10的栅极连接，第七pmos管p7的漏极、第十nmos管n10的漏极及第三nmos管n3的栅极连接，第三电容c3的一端与压电陶瓷元件u2的负极连接，第三电容c3的另一端、第十一nmos管n11的漏极、第十一nmos管n11的栅极及第十二nmos管n12的栅极连接，第十二nmos管n12的漏极、第八pmos管p8的漏极、第八pmos管p8的栅极及第九pmos管p9的栅极连接，第八pmos管p8的源极、第九pmos管p9的源极、第十pmos管p10的源极、第十一pmos管p11的源极、第十二pmos管p12的源极及直流变换器u5的正极输出端连接，第十一nmos管n11的源极、第十二nmos管n12的源极、第十三nmos管n13的源极、第十四nmos管n14的源极、第十五nmos管n15的源极、第十六nmos管n16的源极及第二电阻r2的一端均接地，第九pmos管p9的漏极、第十pmos管p10的栅极、第十三nmos管n13的漏极及第十四nmos管n14的栅极连接，第十三nmos管n13的栅极与由直流变换器u5的正极输出端经过分压得到的基准电压vbias连接，第十pmos管p10的漏极、第四电容c4的一端及第十四nmos管n14的漏极连接，第四电容c4的另一端、第二电阻r2的另一端、第十一pmos管p11的栅极及第十五nmos管n15的栅极连接，第十一pmos管p11的漏极、第十五nmos管n15的漏极、第十二pmos管p12的栅极及第十六nmos管n16的栅极连接，第十二pmos管p12的漏极、第十六nmos管n16的漏极及第四nmos管n4的栅极连接。

直流变换器u5包括型号为tps61200的低输入电压同步升压转换芯片u6、第五电容c5、第六电容c6、第七电容c7、第三电阻r3、第四电阻r4和第二电感l2，温差发电片u1的正极、第五电容c5的一端、第二电感l2的一端、低输入电压同步升压转换芯片u6的vin引脚、低输入电压同步升压转换芯片u6的en引脚、低输入电压同步升压转换芯片u6的ps引脚及低输入电压同步升压转换芯片u6的uvlo引脚连接，第二电感l2的另一端与低输入电压同步升压转换芯片u6的l引脚连接，低输入电压同步升压转换芯片u6的gnd引脚和低输入电压同步升压转换芯片u6的pgdn引脚均接地，低输入电压同步升压转换芯片u6的vout引脚、第三电阻r3的一端、第六电容c6的一端及第三pmos管p3的源极连接，低输入电压同步升压转换芯片u6的vaux引脚与第七电容c7的一端连接，第七电容c7的另一端接地，低输入电压同步升压转换芯片u6的fb引脚、第三电阻r3的另一端及第四电阻r4的一端连接，第四电阻r4的另一端和第六电容c6的另一端均接地。