基于頻率變換的壓電俘能器接口電路設計

王二萍，蔡艷艷，孫彩霞，張洋洋，張金平

（黃河科技學院 信息工程學院，河南 鄭州 450006）

基于頻率變換的壓電俘能器接口電路設計

王二萍，蔡艷艷，孫彩霞，張洋洋，張金平

（黃河科技學院 信息工程學院，河南 鄭州 450006）

設計了一種可以減小匹配電感的雙同步開關電感電路。建立了仿真模型，仿真結果表明該電路的能量采集的功率最大可達1.9 mW。與一般同步電荷提取電路相比，該電路可以使整體電路體積減小了2/3。將此電路應用于不同形狀的壓電片的振動能量俘獲，發現振動頻率和壓電片的形狀對該電路收集到的能量都有影響，當振動頻率為40 Hz時，在矩形壓電片上收集到的能量最多。

壓電俘能；接口電路；頻率變換；匹配電感；同步電荷提取；雙同步開關電感電路

隨著微機電系統技術和無線通信技術的不斷發展，對于小尺寸、低能耗的微電子設備的需求與日俱增，解決這些微電子設備能量來源的問題就成為了研究重點[1-3]。近年來人們相繼研制出了多種微能源器件，比如微型太陽能電池、微型鋰電池及燃料電池等，微型太陽能電池雖然可以實現長期供能，但是其容易受天氣、應用場合所限制，而鋰電池及燃料電池能量密度較低、壽命有限，因此，目前基于壓電材料的振動能量回收技術最具有發展前景[4]。

本文提出了一種減小匹配電感的同步電荷提取電路，采用了雙向開關控制電路與頻率變換電路的組合。與一般 DSSH（Double Synchronized Switch Harvesting，雙同步開關電感電路）相比，其能量收集的最大功率和效率都有提高，同時由于此電路中減小了匹配電感值，因此使得能量回收裝置的體積可以大幅度減小。

1 減小匹配電感的同步電荷提取電路設計

一般的DSSH電路都是工作在懸臂梁的振動頻率下，這就需要同步電感值很大才能與之匹配[5]。匹配電感值大直接導致俘能器接口電路的體積隨之增大，這一點違背了壓電俘能器體積小、適用于小型傳感器的初衷[6-7]。本文設計了一種在低頻下采集壓電材料輸出電能的壓電俘能器接口電路。電路中通過頻率變換模塊把幾十赫茲的低頻信號轉換至較高頻率（可達500 Hz以上），在這個較高頻率上實現對壓電材料的阻抗匹配，則與之匹配的電感值大大降低，這樣既減小了電路體積，也提升了向負載提供的輸出電壓值。

1.1 電路工作原理

電路由以下部分組成，包括諧振頻率變換電路、整流電路、DC-DC變換電路、雙向開關控制電路，如圖1所示，圖中ip(t)為交流電流源。

圖1 減小匹配電感的同步電荷提取電路Fig.1 The synchronous charge extraction circuit reducing matching inductors

由于壓電材料隨著形變而產生電荷，此特性類似于電容，所以為了提高能量儲存效率，應該對其進行阻抗匹配[8]。當滿足式（2）時，電路實現阻抗匹配，其中Rs是壓電材料的內阻，Rin是諧振頻率變換電路的輸入阻抗。

由式（2）可以看出，在低頻條件下（比如50 Hz以下），也就是說ω0較小時，意味著和要很大，但是壓電材料的內部等效電容 Cp很小（mF量級），勢必要求匹配電感 L1很大（mH量級），所以會導致電路體積增大。本文中通過電路設計，采用諧振頻率變換電路把低頻轉換至高頻，此時要求的匹配電感值則會大大降低，從而減小了電路的體積，達到小型化的要求。如圖1所示，把壓電材料等效為一個交流電流源 iP和一個等效電容CP并聯的形式，該電路同時連接雙向開關控制電路，雙向開關控制電路產生的控制信號用來控制初級線圈回路的雙向開關的導通和閉合，該控制信號經過波形變換后也用來控制 DC-DC變換電路中的雙向開關。雙向開關由一個n型MOSFET管和一個p型MOSFET管外加兩個二極管組成，可以保證導通方向的單向性。

1.2 一個開關周期內的工作特性分析

圖2中L1是匹配電路的初級電感，L2是匹配電路的次級電感，M是互感，C2是次級回路的匹配電容，i1是流入初級電感的電流，i2是流出次級電感的電流。VCP(t)是壓電材料兩端電壓，VC2(t)是 C2兩端電壓，VL1(t)是L1兩端電壓，VL2(t)是L2兩端電壓。

設 t0～t2是開關的一個周期，t0～t1是開關導通時間，t1～t2是開關斷開時間。當開關導通時，t0＜t＜t1，簡化等效電路如圖2所示，變壓器的初級環路方程為：

圖2 開關導通時的等效電路Fig.2 The equivalent circuit when the switch is on

當開關斷開時，t1＜t＜t2，簡化等效電路如圖 3所示，變壓器的初級環路斷路，次級環路閉合。等效電容CP兩端電壓VCP為：

次級環路方程為：

圖3 關斷開時的等效電路Fig.3 The equivalent circuit when the switch is off

理想情況下，變壓器的次級電感兩端電壓VL2(t)是可以表示為：

由于R2很小，k是 變壓器的耦合系數；n是變壓器的變比。

由式（6）可知，在開關導通和斷開的兩個時間段內，次級電感電壓VL2(t)都是呈阻尼振蕩衰減的。

在一個壓電材料輸出電壓周期T內，通過雙向開關控制電路控制開關的閉合和斷開，使得匹配變壓器的次級電感電壓 VL2(t)變成由 m個峰峰值不同的阻尼振蕩電壓組成，這樣就把信號的主頻率由ω0轉換至，這里的

2 仿真與分析

2.1 電路仿真結果

國內外同行對于壓電俘能接口電路研究過程也進行過仿真[9-10]。本設計的仿真過程中壓電片的等效電容選為91 nF，等效電流源選為0.183 mA，二極管的壓降設為0.68 V，MOSFET管反向峰值漏電流設為 10 μA。

從仿真圖圖 4中可以看出，對于振動頻率為f0=71.2 Hz的壓電元件，轉換后的輸出電壓信號頻率為f0=6.25 kHz，比信號主頻率提升了將近100倍。根據式可知在電容C2不變的情況下，電感值可減小為原來的約 10-4。匹配電感值這樣大幅度減小就會使得電路體積至少可以比一般情況下減小2/3。同時，當負載選取200 kΩ的電阻時，能量采集的功率最大可達1.9 mW。

圖4 仿真結果Fig.4 Simulation results

2.2 與一般DSSH電路比較

Lallart等[5]建立了一般DSSH電路的模型，電路結構如圖5所示。根據LALLART等的研究結果，讓壓電片與一般DSSH電路連接來俘獲能量時，當相關參數都取最優值時，負載上能夠獲得的最大功率為

式中： 為壓電片的力因子；C0為壓電片電容；γc為考慮DC-DC變換損耗的效率因子；γ0為電感L1的翻轉系數；f0為振動頻率；uM為恒定的振動幅度。Lallart等的研究表明，在時，DSSH電路能量俘獲的功率最大。

圖5 一般DSSH電路結構Fig.5 General DSSH circuit structure

為了比較減小匹配電感的同步電荷提取電路和一般DSSH電路的俘能效果，選用仿真過程中使用的同樣的參數進行計算，各參數值如表1所示。

表1 模擬計算參數設定Tab.1 Simulation calculation parameter setting

根據式（7），可得：

此結果表明，同樣條件下，一般DSSH電路能夠俘獲的最大功率為1.517 mW，而減小匹配電感的同步電荷提取電路在大幅度減小電路體積的同時最大功率仍然可達1.9 mW。

3 測試結果

為了檢驗本設計中的電路實際工作的情況，把該電路與實際的俘能器件模型連接，進行測試。

俘能器件模型如圖6（a）、（b）所示，以鈹青銅材料為基板，長、寬、高分別用C、K、G來表示。

圖6 壓電片結構模型Fig.6 Piezoelectric sheet structure model

三種不同形狀的陶瓷片的基板尺寸是固定的，設置為C×K×G=50 mm×20 mm×0.4 mm，為了實驗結果的可對比性，不同形狀的陶瓷片的面積固定為300 mm2。陶瓷片的厚度都固定為0.4 mm，具體尺寸分別為：矩形壓電片長20 mm，寬7.5 mm，三角形壓電片底20 mm，高15 mm，梯形壓電片上底10 mm，下底20 mm，高10 mm。

優化電路和一般DSSH電路分別與矩形、三角形、梯形三種結構的壓電片連接，負載為10 kΩ電阻，測得負載端獲得電壓如圖7（a）、（b）所示。

圖7 負載端電壓測試結果Fig.7 The voltage test results of loads

從圖 7中可以看出，（a）圖中三種結構的壓電片通過此電路收集到的能量都隨著振動頻率的變化有相應的改變，在頻率低于30 Hz時，三角形壓電片上的輸出電壓較高，當振動頻率高于30 Hz時，矩形壓電片輸出電壓最高，在40～50 Hz時，輸出電壓可達2600 mV。（b）圖中矩形壓電片兩端的輸出電壓最高，三角形壓電片的輸出電壓最低，矩形壓電片的輸出電壓最大為1850 mV。三條曲線的總體變化趨勢與（a）圖中相似，但輸出電壓最高值比（a）圖中低。說明：

（1）不同形狀的壓電片對輸出電壓的大小有影響，矩形壓電片輸出電壓最高；

（2）優化電路中最高輸出電壓可達2600 mV，比一般DSSH電路中的最高輸出電壓1850 mV高出750 mV，優化電路俘獲能量效率較高。

諧振頻率 f0為 40～50 Hz，與模擬計算結果中f0=71.2 Hz有偏差，這可能與俘能器件模型中壓電片與基板粘結的緊密程度，壓電片所用陶瓷材料的彈性模量等有關。

4 結論

基于壓電俘能器微型化的目的，設計了一種減小匹配電感的同步電荷提取電路，仿真結果表明該設計可以把信號頻率轉換至6.25 kHz，為原信號頻率的近100倍，頻率的轉換意味著匹配電感值大大減小，粗略估算由匹配電感的減小可以使電路體積減小2/3。同時，仿真結果表明，本設計中電路負載可獲得的最大功率為1.9 mW，高于一般DSSH電路中負載可獲得的最大功率1.517 mW。把兩種電路與實際的俘能器件連接起來測得的負載端的輸出電壓也是本設計中的值較高，這說明本設計中的減小匹配電感的同步電荷提取電路達到了提高能量收集效率的同時減小電路體積的目的，符合壓電俘能器微型化、高效率的要求。

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（編輯：陳渝生）

Design of interface circuit of piezoelectric vibration energy harvester based on frequency transformation

WANG Erping, CAI Yanyan, SUN Caixia, ZHANG Yangyang, ZHANG Jinping
(College of Information Engineering, Huanghe Science and Technology College, Zhengzhou 450006, China)

An interface circuit for double synchronized switch harvesting circuit (DSSH) which could descend matching inductance was designed, and its simulation model was established. The simulation results show that the maximum harvesting power is 1.9 mW. Compared to the general DSSH, it can reduce the size of the circuit by a factor of three. This circuit was applied to piezoelectric vibration energy harvestings with different shapes. It is found that the size and shape of the piezoelectric sheet all have impact on energy harvesting. A rectangular piezoelectric sheet at the vibration frequency of 40 Hz harvestes the most of the energy.

piezoelectric energy harvesting; interface circuit; frequency conversion; matching inductor;synchronous charge extraction; double synchronized switch inductance circuit

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.015

TM277

A

1001-2028（2017）07-0075-05

2017-06-06

張洋洋

河南省科技計劃項目資助（No. 172102210380; No. 142102210137）；河南省教育廳自然科學計劃項目資助（No. 14B510007）；

鄭州市重點實驗室資助（No. 121PYFZX178）；鄭州市科技局科技發展計劃項目資助（No. 20140755; No. 20140615; No. 20150237）；河南省高等學校重點科研項目計劃資助（No. 15A610010）；黃河科技學院校級科研項目資助（No. KYZR201305）

王二萍（1980－），女，河南汝南人，副教授，主要從事壓電器件的理論和設計研究，E-mail: 99021390@qq.com ；

張洋洋（1982－），男，河南偃師人，副教授，主要從事電子信息功能材料的研究，E-mail: 25353021@qq.com 。

時間：2017-06-29 10:24

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1024.015.html