一种自供电的电压翻转压电能量采集电路

本发明属于能量采集，具体涉及一种自供电的电压翻转压电能量采集电路。

背景技术：

1、近年来，电子元器件尺寸的小型化和能耗的微功率化取得了巨大地进展。各种低功耗传感器的出现，使得具有无线通讯、信息采集和分布式信息处理等功能的无线传感网络发展原来越快。而传统的无线传感网络的节点采用电池供电，电池寿命的限制导致无线传感网络节点的能量供应成为制约其发展的瓶颈。目前，利用环境能量为无线传感网络节点供电问题的有效方法之一。其中，振动能作为广泛存在的一种环境能量，在使用环境和能量密度上具有显著优势。根据振动-电能转换机制的不同，可将目前的振动能量采集技术分为四种：静电式、电磁式、磁致伸缩式和压电式，其中压电式由于结构简单、寿命长、易于集成，能量密度高等优点而备受关注。

2、压电式振动能量采集器是利用压电材料的正压电效应，将环境中的振动能转化为交流电形式的电能输出。而一般情况下无线传感网络节点需要直流供电，因此在压电元件与负载之间需要具有整流功能的接口电路。其中最基本的就是由全桥整流电路和电容组成的标准能量采集电路seh(standard energy harvesting)，但是这种电路采集效率低且受负载影响大。后来为了提高能量采集效率，研究人员们提出了多种新型的接口电路，如lefeuvre等人提出了并联同步开关电感电路p-sshi(parallel synchronized switchharvesting on inductor)和串联同步开关电感电路s-sshi(series synchronizedswitch harvesting on inductor)。这两个sshi电路虽然可以通过电压翻转提高采集效率，但是输出功率受负载影响较大。之后lefeuvre等人又提出同步电荷提取电路sece(synchronous electric charge extraction)，由于电路大部分时间处于开路状态，在理论上sece电路的输出功率不受负载影响，成为能量采集的常用接口电路。但是以上电路都对电子开关的控制具有较高的精度要求，如果使用有源开关控制模块会增大功耗，因此使用无源的峰值检测电路来控制开关从而实现开关自控，提高效率是很重要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自供电的电压翻转压电能量采集电路，通过简化电路结构降低了电路损耗，调整同步开关使电路提高采集电压的同时降低了负载对输出功率的影响。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种自供电的电压翻转压电能量采集电路，包括正向开关、负向开关、翻转电感、整流电路和储能电容(即第二电容)，其中：

4、正向开关，由第三电容、第三二极管、第四二极管、第一电阻、第一三极管和第二三级管组成；负向开关，由第四电容、第五二极管、第六二极管、第二电阻、第三三极管和第四三级管组成；

5、压电片的正极、第一电阻的一端、第一三极管的基极、第四二极管的正极、第五二极管的负极、第四三极管的基极和电阻的一端相连接；第一电阻的另一端与第三二极管的正极相连；第三二极管的负极、第一三极管的发射极和第三电容的一端相连，第一三极管的集电极和第二三极管的基极相连，第二三极管的集电极和第四二极管的负极相连；第二三极管的发射极、第三三极管的发射极、翻转电感和第一电容的连接端相连；第三三极管的集电极和第五二极管的正极相连，第三三极管的基极和第四三极管的集电极相连；第四三极管的发射极、第六二极管的正极和第四电容的一端相连，第六二极管的负极和第二电阻的另一端相连；压电片的负极、第三电容的另一端和第四电容的另一端均接地；

6、整流电路由第一电容、第一二极管、第二二极管组成；

7、翻转电感的一端和第一电容的一端相连，形成翻转电感和第一电容的连接端；第一电容的另一端、第一二极管的负极和第二二极管的正极相连；第二二极管的负极、储能电容的正极和负载的一端相连；翻转电感的另一端、整流电路中的第一二极管正极、储能电容的负极和负载的另一端接地。

8、在本发明的技术方案中，第一三极管和第三三极管均为pnp型三极管，pnp型三极管为pnp型三极管s8550；第二三极管和第四三极管均为npn型三极管，npn型三极管为npn型三极管2n4123。

9、在本发明的技术方案中，第一电容、第三电容和第四电容均为电容量1nf的瓷片电容，储能电容c2为电容量10μf的电解电容。

10、在本发明的技术方案中，第一电阻r1和第二电阻r2均选择100k欧姆。

11、与现有技术相比，本发明的优点在于电路中没有任何有源电路，减少了二极管的使用，简化了电路结构，降低了电路损耗。在lc并联谐振下，提高了品质因子和采集电压，通过调整电子开关使得电路在绝大多数时间处于开路状态，降低了负载对电路采集电压的影响，同时整体电路是完全自供电的，提高了输出功率与采集效率。

技术特征：

1.一种自供电的电压翻转压电能量采集电路，其特征在于，包括正向开关、负向开关、翻转电感、整流电路和储能电容，其中：

2.根据权利要求1所述的一种自供电的电压翻转压电能量采集电路，其特征在于，第一三极管和第三三极管均为pnp型三极管。

3.根据权利要求2所述的一种自供电的电压翻转压电能量采集电路，其特征在于，pnp型三极管为pnp型三极管s8550。

4.根据权利要求1所述的一种自供电的电压翻转压电能量采集电路，其特征在于，第二三极管和第四三极管均为npn型三极管。

5.根据权利要求4所述的一种自供电的电压翻转压电能量采集电路，其特征在于，npn型三极管为npn型三极管2n4123。

6.根据权利要求1所述的一种自供电的电压翻转压电能量采集电路，其特征在于，第一电容、第三电容和第四电容均为电容量1nf的瓷片电容。

7.根据权利要求1所述的一种自供电的电压翻转压电能量采集电路，其特征在于，储能电容c2为电容量10μf的电解电容。

8.根据权利要求1所述的一种自供电的电压翻转压电能量采集电路，其特征在于，第一电阻r1和第二电阻r2均选择100k欧姆。

技术总结
本发明公开了一种自供电的电压翻转压电能量采集电路，包括正向开关、负向开关、翻转电感、整流电路和储能电容。本发明减少了峰值检测电路和整流电路中的二极管数量，不使用有源电路，简化了电路结构，降低了电路损耗。通过LC并联谐振提高了翻转电压，同时将同步开关布置在负载端与输入端之间，使得电路在绝大多数时间内处于开路状态，降低了负载对采集电压的影响，提高了输出功率与采集效率。

技术研发人员：王合义,郝淑英,张琪昌,赵开元
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11