一种具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路

本发明主要涉及一种具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路。

背景技术：

由于压电发电机固有的输出阻抗特性，需要使用专用的接口电路。典型的同步开关电感技术能有效地降低压电发电机输出电荷在整流过程中的浪费，提升负载的输出功率。其主要的工作原理是在当压电发电机输出电流过零点或者输出电压峰值附近短暂关闭同步开关，使用由外部电感与压电发电机内部电容构成的谐振腔收集本会被浪费的电荷，从而增加从压电发电机至负载的功率。然而，典型的同步开关电感技术存在一个缺点：当接口电路的输出整流电压过高时，负载可能不能获得来自压电发电机的功率，致使输出电压的运行范围较窄。这种负载收集不到功率的情况时常发生在振动变化的激励条件下。因此，需要设计一种具有宽输出电压范围的高效压电能量收集接口电路，即使在整流电压很高的情况下也能够实现具有电压同步翻转的高效压电能量收集。

技术实现要素：

针对上述问题，提出了一种具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路。解决方案为：一种具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路，其特征在于：包括全桥电路、三极管、电容和电感；压电发电机与所述电感串联接入所述全桥电路的交流输入端；所述全桥电路的直流输出端连接滤波电容和负载电阻；所述全桥电路由四个二极管组成；所述的二极管既可以为无源二极管，也可以为有源二极管；所述的三极管包括两个npn管q1和q3和两个pnp管q2和q4；所述的电容为电容c1；所述的三极管与所述的电容构成检测电路，既可以检测压电发电机输出电压峰值，也可以检测所述电感电流的峰值。所述npn管q3和pnp管q4作为同步开关分别跨接在所述全桥电路中二极管d3和二极管d4的两端；所述全桥电路的交流输入的一端与所述电感的一端连接；所述电感的另一端与压电发电机的一端连接，并连接至npn管q1的基极和pnp管q2的基极；所述的npn管q1的发射极和所述的pnp管q2的发射极相连后与所述的电容c1的一端相连；所述的电容c1的另一端与压电发电机的另一端相连；所述npn管q1的集电极与所述的pnp管q4的基极相连；所述pnp管q2的集电极与所述的npn管q3的基极相连；所述npn管q3的集电极与所述全桥电路直流输出端相连；所述pnp管q4的集电极与地相连；所述npn管q3的发射极和pnp管q4的发射极相连，连接至所述的电容c1的另一端。

本发明提出的一种具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路，其优点在于：

1.电路简单；

2.宽输出电压范围；

3.自供电。

附图说明

图1是本发明公开的具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路；

图2是本发明公开的具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路工作在p-sshi模式下的关键波形示意图；

图3是本发明公开的具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路工作在s-sshi模式下的关键波形示意图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路。依据每半振动周期压电电压vba是否被整流电压vrect钳位，电路有两种工作模式。如果压电电压被整流电压vrect钳位，电路工作在p-sshi模式，否则s-sshi模式。下面对具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路的工作过程进行详细描述。

若电路工作在p-sshi模式，参考附图2的关键波形，电路工作过程描述如下：

1.在压电发电机输出交流电流ip从正到负穿过零点前，即压电发电机输出电压未到峰值前，因压电电压被钳位，二极管d1和d4导通，电流ip经器件(压电发电机–l–d1–d4)流入负载rl和cl，因npn管q1的基极-发射极的pn结正向偏置而导通，电容c1经pn结与压电发电机并联；

2.当电流ip过零点后，即压电发电机输出电压过峰值后，由于电流ip的极性反向，压电发电机内部电容电压低于电容c1上的电压，导致npn管q1的基极-发射极的pn结反偏，pnp管q2的基极-发射极的pn正偏而导通，从而使三极管q3导通，形成两个谐振回路，一个是经器件(压电发电机–l–d1–q3–压电发电机)的谐振回路，另一个是一个经器件(c1–q2–l–d1–q3–c1)的谐振回路，内部电容cp和电容c1上已储存的能量传输至电感，电感电流上升，当电容能量被完全传输至电感，压电电压vba下降至零附近；

3.当电感电流il达到峰值，由于电感电压和压电电压vba都接近零，致使q3截止，形成了另一个经器件(压电发电机–l–d1–rl与cl–d4–压电发电机)的谐振回路，电感中的能量一部分经谐振回路传输至负载，另一部分被传回内部电容cp，在电容cp上形成电压翻转，实现了期望的电压同步翻转，因环路中包括二极管，所以当电感电流il下降至零后环路断开。注意到步骤3是本专利的创新之处。

4.压电发电机电流ip继续反向对内部电容cp充电，直到压电电压vba上升到被整流电压vrect钳位，此时，二极管d2和d3导通，压电电流ip流入负载cl和rl。

5.当压电发电机电流ip从负到正穿过零点时，由于对称的电路结构，电路将基于同样的运行原理执行电压同步翻转过程，但用到了不同的谐振回路；

6.当电流ip再次从正到负穿过零点时，电路又回到序号1所在的工作状态，重复上述运行过程。

若电路工作在s-sshi模式，参考附图3的关键波形，电路的具体工作过程与p-sshi大致相似不再赘述。与p-sshi工作模式的主要区别在于压电电压vba不再被整流电压vrect钳位。因此，工作在s-sshi模式下的电路，全桥电路仅在电压同步翻转阶段被使能。

典型同步开关电感技术由于仅用一个谐振回路实现电压翻转，电路整流电压的运行范围受限于压电发电机的开路电压。与典型同步开关电感技术不同，本专利所提出的电路采用两个谐振回路而不是一个谐振回路在每半个振动周期实现压电发电机内部电容电压的翻转，使用多出的一个谐振回路，即步骤3，即可以实现压电电压的升压操作。即使整流电压非常高，电路也能够从压电发电机提取能量并传输至负载，从而大幅提升整流电压的运行范围，克服了典型同步开关技术提取不到压电发电机输出功率的问题。值得注意的是，电路不论是工作在p-sshi模式，还是工作在s-sshi模式，多出的一个谐振回路都会被使用到，因此升压操作适用于全工作模式。

虽然本发明已相对有限数量的实施例进行了描述，但受益于此公开的本领域的技术人员将理解由此产生的多种修改和变化。所附权利要求旨在涵盖属于本发明真正精神和范围的此类修改和变化。

技术特征：

1.一种具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路，其特征在于：包括全桥电路、三极管、电容和电感；压电发电机与所述电感串联接入所述全桥电路的交流输入端；所述全桥电路的直流输出端连接滤波电容和负载电阻；所述全桥电路由四个二极管组成；所述的二极管既可以为无源二极管，也可以为有源二极管；所述的三极管包括两个npn管q1和q3和两个pnp管q2和q4；所述的电容为电容c1；所述的三极管与所述的电容构成检测电路，既可以检测压电发电机输出电压峰值，也可以检测所述电感电流的峰值；所述npn管q3和pnp管q4作为同步开关分别跨接在所述全桥电路中二极管d3和二极管d4的两端；所述全桥电路的交流输入的一端与所述电感的一端连接；所述电感的另一端与压电发电机的一端连接，并连接至npn管q1的基极和pnp管q2的基极；所述的npn管q1的发射极和所述的pnp管q2的发射极相连后与所述的电容c1的一端相连；所述的电容c1的另一端与压电发电机的另一端相连；所述npn管q1的集电极与所述的pnp管q4的基极相连；所述pnp管q2的集电极与所述的npn管q3的基极相连；所述npn管q3的集电极与所述全桥电路直流输出端相连；所述pnp管q4的集电极与地相连；所述npn管q3的发射极和pnp管q4的发射极相连，连接至所述的电容c1的另一端。

技术总结
本发明公开了一种具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路，通过在电压同步翻转阶段插入两个谐振回路，提升压电能量收集接口电路输出电压范围，实现在宽电压范围高效压电能量收集的目的。一种具有宽输出电压范围的电压同步翻转的自供电压电能量收集接口电路由全桥电路、三极管、电容和电感组成。

技术研发人员：吴了;朱培栋;谢明华;康文杰
受保护的技术使用者：长沙学院
技术研发日：2020.12.10
技术公布日：2021.04.06