一种压电与光能协同采集电路的制作方法

本发明涉及一种能量采集电路结构，尤其是一种压电与光能协同采集电路。

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，由于压电片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，在压电片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，最简单的接口电路是全桥整流电路，但是全桥整流电路的效率很低，因此有人提出了自供电的串联同步可控开关能量俘获电路、并联同步可控开关能量俘获电路以及同步电荷提取电路，这些非线性压电能采集电路利用lc谐振对压电能量进行提取，可以有效提高能量采集效率。

直流能源的采集是一种利用直流换能器将环境中的其他形式能源转换为电能，进而对其进行收集的方法，例如光伏电池可将环境中的光能转化为电能、温差热电片可将环境中的热能转化为电能，然而这些直流换能器的输出电流会随着输出电压的增加而减小，只有当直流换能器的输出电压与输出电流的乘积最大时，直流换能器的输出功率才能保持最大；例如，当光伏电池的输出电压是其开路电压的3/4~4/5时，直流换能器的输出功率可以维持在较高的水平，当温差热电片的输出电压是其开路电压的1/2时，直流换能器的输出功率是最大的。

为了收集更多的环境能量，可以将压电振动能和直流能源同时收集，但是现有的多源能量采集器基本是采用分时复用的方案来共用电感，为了避免能量回流，即高电压能源向低电压能源灌输能量，现有技术都是采用每一种能源输出接一个二极管，以防止能量回流；虽然这种方法避免了能量回流问题，但是增加了电路的功耗，降低了电路的转换效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以同时采集压电振动能和其它直流能源的压电与光能协同采集电路，整体采集效率较高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种压电与光能协同采集电路，包括压电换能器、用于将光能转换为直流电压的直流换能器、峰值与过零检测模块、延迟与脉冲信号生成器、最大功率点跟踪器、逻辑控制器、第一比较器、第一反相器、电感、第一储能电容、第二储能电容、第一二极管、第二二极管、第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关、第一整流可控开关、第二整流可控开关、第三整流可控开关和第四整流可控开关，

所述的压电换能器的一端、所述的第一比较器的正输入端、所述的第一整流可控开关的一端及所述的第二整流可控开关的一端连接，所述的压电换能器的另一端、所述的第一比较器的负输入端、所述的第三整流可控开关的一端及所述的第四整流可控开关的一端连接，所述的第一整流可控开关的另一端与所述的第四整流可控开关的另一端均接地，所述的第二整流可控开关的另一端、所述的第三整流可控开关的另一端、所述的第一可控开关的一端、所述的峰值与过零检测模块的输入端连接，所述的第一比较器的输出端、所述的第二整流可控开关的控制端、所述的第四整流可控开关的控制端及所述的第一反相器的输入端连接，所述的第一反相器的输出端、所述的第一整流可控开关的控制端、所述的第三整流可控开关的控制端连接，所述的第一可控开关的另一端、所述的第二可控开关的一端及所述的第三可控开关的一端连接，所述的第二可控开关的另一端、所述的第一储能电容的一端、所述的直流换能器的正端及所述的最大功率点跟踪器的电压输入端连接，所述的直流换能器的负端及所述的第一储能电容的另一端均接地，所述的第三可控开关的另一端、所述的电感的一端及所述的第一二极管的负极连接，所述的第一二极管的正极接地，所述的电感的另一端、所述的第四可控开关的一端、所述的第二二极管的正极连接，所述的第四可控开关的另一端接地，所述的第二二极管的负极与所述的第二储能电容的一端连接，所述的第二储能电容的另一端接地，所述的峰值与过零检测模块的输出端、所述的延迟与脉冲信号生成器的输入端及所述的逻辑控制器的第三输入端连接，所述的延迟与脉冲信号生成器的输出端、所述的最大功率点跟踪器的控制信号输入端及所述的逻辑控制器的第二输入端连接，所述的最大功率点跟踪器的输出端与所述的逻辑控制器的第一输入端连接，所述的逻辑控制器的第一输出端与所述的第一可控开关的控制端连接，所述的逻辑控制器的第二输出端与所述的第二可控开关的控制端连接，所述的逻辑控制器的第三输出端与所述的第三可控开关的控制端连接，所述的逻辑控制器的第四输出端与所述的第四可控开关的控制端连接，所述的逻辑控制器的逻辑表达式如下：

，

其中，其中，表示所述的逻辑控制器的第一输入端的输入信号，表示所述的逻辑控制器的第二输入端的输入信号，表示所述的逻辑控制器的第三输入端的输入信号，表示所述的逻辑控制器的第三输入端的输入信号的反相信号，表示所述的逻辑控制器的第二输入端的输入信号的反相信号，表示所述的逻辑控制器的第一输出端的输出信号，表示所述的逻辑控制器的第二输出端的输出信号，表示所述的逻辑控制器的第三输出端的输出信号，表示所述的逻辑控制器的第四输出端的输出信号。

所述的峰值与过零检测模块包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二比较器、第三比较器和第一与门，所述的第一电阻的一端、所述的第二比较器的正输入端及所述的第一可控开关的一端连接，所述的第二比较器的负输入端接地，所述的第一电阻的另一端、所述的第二电阻的一端、所述的第三电阻的一端及所述的第三比较器的负输入端连接，所述的第三电阻的另一端、所述的第三比较器的正输入端及所述的第一电容的一端连接，所述的第二电阻的另一端与所述的第一电容的另一端均接地，所述的第二比较器的输出端与所述的第一与门的第一输入端连接，所述的第三比较器的输出端与所述的第一与门的第二输入端连接，所述的第一与门的输出端与所述的延迟与脉冲信号生成器的输入端及所述的逻辑控制器的第三输入端连接。

所述的延迟与脉冲信号生成器包括第二反相器、第三反相器、第四反相器、第二电容、第三电容、第四电容、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第三二极管、第四比较器和第五比较器，所述的第二反相器的输入端与所述的峰值与过零检测模块的输出端连接，所述的第二反相器的输出端与所述的第二电容的一端连接，所述的第二电容的另一端、所述的第四电阻的一端及所述的第三反相器的输入端连接，所述的第三反相器的输出端与所述的第四反相器的输入端连接，所述的第四反相器的输出端与所述的第五电阻的一端连接，所述的第五电阻的另一端、所述的第六电阻的一端、所述的第七电阻的一端及所述的第四比较器的正输入端连接，所述的第七电阻的另一端与所述的第三二极管的负极连接，所述的第八电阻的一端、所述的第九电阻的一端、所述的第三电容的一端及所述的第四比较器的负输入端连接，所述的第八电阻的另一端与外部直流电源的正电压输出端连接，所述的第四比较器的输出端、所述的第十二电阻的一端及所述的最大功率点跟踪器的控制信号输入端连接，所述的第十二电阻的另一端、所述的第十电阻的一端、所述的第十一电阻的一端及所述的第五比较器的正输入端连接，所述的第五比较器的负输入端、所述的第十三电阻的一端及所述的第四电容的一端连接，所述的第三二极管的正极、所述的第十电阻的另一端、所述的第十三电阻的另一端及所述的第五比较器的输出端连接，所述的第四电阻的另一端、所述的第六电阻的另一端、所述的第九电阻的另一端、所述的第十一电阻的另一端、所述的第三电容的另一端及所述的第四电容的另一端均接地。

所述的最大功率点跟踪器包括第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第五电容、第五反相器、第二与门、第一nmos管和第六比较器，所述的第十四电阻的一端、所述的第十六电阻的一端及所述的直流换能器的正端连接，所述的第十四电阻的另一端、所述的第一nmos管的源极及所述的第十五电阻的一端连接，所述的第一nmos管的漏极、所述的第五电容的一端及所述的第六比较器的负输入端连接，所述的第五电容的另一端与所述的第十五电阻的另一端均接地，所述的第一nmos管的栅极、所述的第五反相器的输入端及所述的延迟与脉冲信号生成器的输出端连接，所述的第十六电阻的另一端、所述的第十七电阻的一端及所述的第六比较器的正输入端连接，所述的第十七电阻的另一端、所述的第六比较器的输出端及所述的第二与门的第一输入端连接，所述的第二与门的第二输入端与所述的第五反相器的输出端连接，所述的第二与门的输出端与所述的逻辑控制器的第一输入端连接。

所述的逻辑控制器包括第六反相器、第七反相器、第一或门和第二或门，所述的第一或门的第一输入端、所述的第六反相器的输入端及所述的第二或门的第一输入端连接并作为所述的逻辑控制器的第三输入端，所述的第一或门的第二输入端与所述的第七反相器的输入端连接并作为所述的逻辑控制器的第二输入端，所述的第二或门的第二输入端作为所述的逻辑控制器的第一输入端，所述的第一或门的输出端作为所述的逻辑控制器的第一输出端，所述的第六反相器的输出端作为所述的逻辑控制器的第二输出端，所述的第七反相器的输出端作为所述的逻辑控制器的第三输出端，所述的第二或门的输出端作为所述的逻辑控制器的第四输出端。

与现有技术相比，本发明的优点在于基于单个电感实现了压电振动能的峰值电压提取和直流能源的最大功率点提取，并且依靠对压电能的峰值与过零检测产生采样信号控制直流换能器采集直流能，省略了传统的采样信号发生器，降低了成本，节省了能耗，同时在直流换能器对直流能进行采样的时间段内，对压电换能器进行能量注入，使压电振动初始时刻的电压等于直流能的开路电压，从而提高了压电能的收集功率，整体电路的能量采集效率较高；其中，直流换能器还可以采用将其他能量转换为直流电压的常规产品。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为实施例中峰值与过零检测模块的电路结构示意图；

图3为实施例中延迟与脉冲信号生成器的电路结构示意图；

图4为实施例中最大功率点跟踪器的电路结构示意图；

图5为实施例中逻辑控制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。

一种压电与光能协同采集电路，包括压电换能器pzt、用于将光能转换为直流电压的直流换能器pv、峰值与过零检测模块u1、延迟与脉冲信号生成器u2、最大功率点跟踪器u3、逻辑控制器u4、第一比较器cmp1、第一反相器inv1、电感l、第一储能电容cpv、第二储能电容csto、第一二极管d1、第二二极管d2、第一可控开关s1、第二可控开关s2、第三可控开关s3、第四可控开关s4、第一整流可控开关sr1、第二整流可控开关sr2、第三整流可控开关sr3和第四整流可控开关sr4，压电换能器pzt的一端、第一比较器cmp1的正输入端、第一整流可控开关sr1的一端及第二整流可控开关sr2的一端连接，压电换能器pzt的另一端、第一比较器cmp1的负输入端、第三整流可控开关sr3的一端及第四整流可控开关sr4的一端连接，第一整流可控开关sr1的另一端与第四整流可控开关sr4的另一端均接地，第二整流可控开关sr2的另一端、第三整流可控开关sr3的另一端、第一可控开关s1的一端、峰值与过零检测模块u1的输入端连接，第一比较器cmp1的输出端、第二整流可控开关sr2的控制端、第四整流可控开关sr4的控制端及第一反相器inv1的输入端连接，第一反相器inv1的输出端、第一整流可控开关sr1的控制端、第三整流可控开关sr3的控制端连接，第一可控开关s1的另一端、第二可控开关s2的一端及第三可控开关s3的一端连接，第二可控开关s2的另一端、第一储能电容cpv的一端、直流换能器pv的正端及最大功率点跟踪器u3的电压输入端连接，直流换能器pv的负端及第一储能电容cpv的另一端均接地，第三可控开关s3的另一端、电感l的一端及第一二极管d1的负极连接，第一二极管d1的正极接地，电感l的另一端、第四可控开关s4的一端、第二二极管d2的正极连接，第四可控开关s4的另一端接地，第二二极管d2的负极与第二储能电容csto的一端连接，第二储能电容csto的另一端接地，峰值与过零检测模块u1的输出端、延迟与脉冲信号生成器u2的输入端及逻辑控制器u4的第三输入端连接，延迟与脉冲信号生成器u2的输出端、最大功率点跟踪器u3的控制信号输入端及逻辑控制器u4的第二输入端连接，最大功率点跟踪器u3的输出端与逻辑控制器u4的第一输入端连接，逻辑控制器u4的第一输出端与第一可控开关s1的控制端连接，逻辑控制器u4的第二输出端与第二可控开关s2的控制端连接，逻辑控制器u4的第三输出端与第三可控开关s3的控制端连接，逻辑控制器u4的第四输出端与第四可控开关s4的控制端连接，逻辑控制器u4的逻辑表达式如下：

，

其中，其中，表示逻辑控制器u4的第一输入端的输入信号，表示逻辑控制器u4的第二输入端的输入信号，表示逻辑控制器u4的第三输入端的输入信号，表示逻辑控制器u4的第三输入端的输入信号的反相信号，表示逻辑控制器u4的第二输入端的输入信号的反相信号，表示逻辑控制器u4的第一输出端的输出信号，表示逻辑控制器u4的第二输出端的输出信号，表示逻辑控制器u4的第三输出端的输出信号，表示逻辑控制器u4的第四输出端的输出信号。

峰值与过零检测模块u1包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第一电容c1、第二比较器cmp2、第三比较器cmp3和第一与门and1，第一电阻r1的一端、第二比较器cmp2的正输入端及第一可控开关s1的一端连接，第二比较器cmp2的负输入端接地，第一电阻r1的另一端、第二电阻r2的一端、第三电阻r3的一端及第三比较器cmp3的负输入端连接，第三电阻r3的另一端、第三比较器cmp3的正输入端及第一电容c1的一端连接，第二电阻r2的另一端与第一电容c1的另一端均接地，第二比较器cmp2的输出端与第一与门and1的第一输入端连接，第三比较器cmp3的输出端与第一与门and1的第二输入端连接，第一与门and1的输出端与延迟与脉冲信号生成器u2的输入端及逻辑控制器u4的第三输入端连接。

延迟与脉冲信号生成器u2包括第二反相器inv2、第三反相器inv3、第四反相器inv4、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第三二极管d3、第四比较器cmp4和第五比较器cmp5，第二反相器inv2的输入端与峰值与过零检测模块u1的输出端连接，第二反相器inv2的输出端与第二电容c2的一端连接，第二电容c2的另一端、第四电阻r4的一端及第三反相器inv3的输入端连接，第三反相器inv3的输出端与第四反相器inv4的输入端连接，第四反相器inv4的输出端与第五电阻r5的一端连接，第五电阻r5的另一端、第六电阻r6的一端、第七电阻r7的一端及第四比较器cmp4的正输入端连接，第七电阻r7的另一端与第三二极管d3的负极连接，第八电阻r8的一端、第九电阻r9的一端、第三电容c3的一端及第四比较器cmp4的负输入端连接，第八电阻r8的另一端与外部直流电源的正电压输出端连接，第四比较器cmp4的输出端、第十二电阻r12的一端及最大功率点跟踪器u3的控制信号输入端连接，第十二电阻r12的另一端、第十电阻r10的一端、第十一电阻r11的一端及第五比较器cmp5的正输入端连接，第五比较器cmp5的负输入端、第十三电阻r13的一端及第四电容c4的一端连接，第三二极管d3的正极、第十电阻r10的另一端、第十三电阻r13的另一端及第五比较器cmp5的输出端连接，第四电阻r4的另一端、第六电阻r6的另一端、第九电阻r9的另一端、第十一电阻r11的另一端、第三电容c3的另一端及第四电容c4的另一端均接地。其中，外部直流电源的正电压输出端的输出电压为1.8v、5v或3.3v。

最大功率点跟踪器u3包括第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第十七电阻r17、第五电容c5、第五反相器inv5、第二与门and2、第一nmos管m1和第六比较器cmp6，第十四电阻r14的一端、第十六电阻r16的一端及直流换能器pv的正端连接，第十四电阻r14的另一端、第一nmos管m1的源极及第十五电阻r15的一端连接，第一nmos管m1的漏极、第五电容c5的一端及第六比较器cmp6的负输入端连接，第五电容c5的另一端与第十五电阻r15的另一端均接地，第一nmos管m1的栅极、第五反相器inv5的输入端及延迟与脉冲信号生成器u2的输出端连接，第十六电阻r16的另一端、第十七电阻r17的一端及第六比较器cmp6的正输入端连接，第十七电阻r17的另一端、第六比较器cmp6的输出端及第二与门and2的第一输入端连接，第二与门and2的第二输入端与第五反相器inv5的输出端连接，第二与门and2的输出端与逻辑控制器u4的第一输入端连接。

逻辑控制器u4包括第六反相器inv6、第七反相器inv7、第一或门or1和第二或门or2，第一或门or1的第一输入端、第六反相器inv6的输入端及第二或门or2的第一输入端连接并作为逻辑控制器u4的第三输入端，第一或门or1的第二输入端与第七反相器inv7的输入端连接并作为逻辑控制器u4的第二输入端，第二或门or2的第二输入端作为逻辑控制器u4的第一输入端，第一或门or1的输出端作为逻辑控制器u4的第一输出端，第六反相器inv6的输出端作为逻辑控制器u4的第二输出端，第七反相器inv7的输出端作为逻辑控制器u4的第三输出端，第二或门or2的输出端作为逻辑控制器u4的第四输出端。

以上实施例的工作原理如下：

在正半周期内，压电换能器pzt的一端电压高于另一端，此时第一比较器cmp1输出高电平信号，第二整流可控开关sr2和第四整流可控开关sr4导通，压电换能器pzt的一端与第一可控开关s1的一端连通，压电换能器pzt的另一端接地，在正半周期内，压电换能器pzt的开路电压不断增大，当压电换能器pzt的开路电压达到峰值时，峰值与过零检测模块u1会生成一个可控开关信号，并且经过逻辑控制器u4产生可控开关控制信号控制第一可控开关s1、第三可控开关s3和第四可控开关s4导通，压电换能器pzt内部的寄生电容和电感l形成lc谐振回路，经过1/4个谐振周期，压电换能器pzt上积累的电能会全部转移到电感l上，当电感l的电流达到峰值时，逻辑控制器u4立刻控制第一可控开关s1和第四可控开关s4断开，然后电感l上存储的能量通过第一二极管d1和第二二极管d2释放到第二储能电容csto，从而完成了正半周期压电振动能的提取，之后经过短暂的延迟，延迟与脉冲信号生成器u2会产生一个采样信号并发送至逻辑控制器u4的第二输入端，逻辑控制器u4控制第一可控开关s1和第二可控开关s2导通，此时直流换能器pv给第一储能电容cpv和压电换能器pzt压电换能器pzt充电，直到第一储能电容cpv和压电换能器pzt的电压被充电至和直流换能器pv的开路电压一样高，随后延迟与脉冲信号生成器u2生成的采样信号会激活最大功率点跟踪器u3，当第一储能电容cpv达到最大功率点后，最大功率点跟踪器u3通过逻辑控制器u4产生可控开关控制信号导通第二可控开关s2、第三可控开关s3和第四可控开关s4，然后第一储能电容cpv的能量会逐渐转移到电感l上，由于第一储能电容cpv的能量被释放，其两端电压会下降，第四可控开关s4随之关断，然后电感l上存储的能量通过第二二极管d2释放到第二储能电容csto，从而使直流换能器pv完成对直流能源的最大功率点提取；

在负半周期内，压电换能器pzt的一端电压低于另一端，此时第一比较器cmp1输出低电压，第一整流可控开关sr1和第三整流可控开关sr3导通，压电换能器pzt的另一端与第一可控开关s1的一端连通，压电换能器pzt的一端接地，在负半周期内，压电换能器pzt的开路电压不断增大，当压电换能器pzt的开路电压达到峰值时，峰值与过零检测模块u1生成一个可控开关信号发送至逻辑控制器u4，逻辑控制器u4产生可控开关控制信号控制第一可控开关s1、第三可控开关s3和第四可控开关s4导通，压电换能器pzt内部的寄生电容和电感l形成lc谐振回路，经过1/4个谐振周期，压电换能器pzt上积累的电能会全部转移到电感l上，当电感l的电流达到峰值时，逻辑控制器u4立刻控制第一可控开关s1和第四可控开关s4断开，然后电感l上存储的能量通过第一二极管d1和第二二极管d2释放到第二储能电容csto，从而完成了负半周期压电振动能的提取，之后经过短暂的延迟，延迟与脉冲信号生成器u2会产生一个采样信号并发送至逻辑控制器u4，逻辑控制器u4产生可控开关控制信号控制第一可控开关s1和第二可控开关s2导通，此时直流换能器pv给第一储能电容cpv和压电换能器pzt充电，直到第一储能电容cpv和压电换能器pzt的电压被充电至和直流换能器pv的开路电压一样高，此时采样信号会激活最大功率点跟踪器u3，随之产生直流换能器pv所采集的直流能源的最大功率采集可控开关信号，当第一储能电容cpv达到最大功率点后，逻辑控制器u4产生可控开关控制信号控制第二可控开关s2、第三可控开关s3和第四可控开关s4导通，第一储能电容cpv的能量开始转移到电感l上，由于第一储能电容cpv的能量被释放，其两端电压会下降，第四可控开关s4随之关断，电感l上存储的能量通过第二二极管d2逐渐释放到第二储能电容csto，从而使直流换能器pv完成对直流能源的最大功率点提取。