一種高效快速穩定壓電能量存儲電路*

王根圣, 陳荷娟， 蔡建余,2， 孫加存,3

(1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.南京科技職業學院，江蘇 南京 210048；3.蘇州市職業大學 電子信息工程學院，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

隨著無線傳感器網絡及微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)集成電路的快速發展，網絡傳感節點供能問題一直受到廣泛關注。壓電式能量收集裝置因具有結構簡單、無污染、易小型化等優點，適合用于各類傳感及監測系統[1]。目前出現了大量的能量采集電路，但較多采用有源方式實現同步開關控制，與自供能的初衷相悖,且能量收集效果仍然微小，僅有幾毫瓦(mW)，甚至微瓦(μM)級別。

為此，本文在串聯電感同步電荷采集電路(series-synchronous switching harvesting on inductor,S-SSHI)的研究基礎上，分析并設計了一種高功率輸出且快速穩定的壓電能量存儲電路。

1 模型分析

模型采用陳荷娟等人[2]研制的小型氣流致聲振動壓電換能器，該結構具有小體積高能量且穩定輸出的特征。結構原理如圖1所示。系統主要包括3個模塊：氣流調理機構、氣流致聲機構和聲/電換能機構。1)氣流調理機構由環隙型進氣道組成。外部氣流在近進氣口迅速轉捩形成速度場發展分布均勻的湍流，噴嘴出流口噴注的壓力脈動，因出現旋渦脫落，在空腔內形成渦環。2)氣流致聲機構由噴注、空腔、尖劈、共振腔構成，渦環的脈動壓力場沖擊共振腔尖劈，產生邊棱音，由于聲波在共振腔底部發生全反射，所以，在共振腔內形成穩定的駐波，在共振腔口部的聲強被放大，于是產生了一個頻率、振幅穩定的流體動力聲源[3,4]。3)聲/電換能機構由共振腔、壓電振子、端蓋組成，壓電振子包括1根導電的圓銅片以及貼附在其上的陶瓷片。共振腔內的穩定聲波與換能器的固有頻率接近，激勵壓電片振動輸出最高電壓。氣流致聲過程是一個復雜的非線性過程，可認為是由不穩定射流、尖劈和共振腔三者之間流—聲—固耦合作用過程。

圖1 氣流致聲振動壓電發電機原理

壓電換能器可等效為電荷源與電容器并聯或電壓源與電容器串聯[5]。經試驗測量，接口電路的電源輸入參數為Vi=22 V，f=1.87 kHz，CP=6 nF。

2 改進無源S-SSHI電路設計

S-SSHI如圖2所示，在經典能量采集電路的基礎上添加了與壓電振子串聯的電感器L和開關S。當壓電振子兩端電壓隨位移正弦變化達到極值時，閉合S，L與CP形成振蕩回路，壓電振子上存儲的電荷在1/2LCP振蕩周期內通過L轉移至RL；轉移完成后，S斷開，由儲能電容器Cr向RL供電。電路工作的特點是始終保持壓電振子兩端電壓與結構振動速度同相，周期性地將壓電振子兩端的電荷轉移至儲能元件中[6]。

圖2 S-SSHI

負載兩端的輸出功率為

(1)

式中γ為電壓翻轉系數，Vo為壓電振子峰值電壓。

最大輸出功率為

(2)

壓電能量采集的過程中需要考慮的一個重要因素是要能夠實現自供能。為此，需要給圖2中開關S設計出一種低功耗的同步控制開關電路。Richard C等人[7]提出了一種峰值電壓檢測的開關型分流電路，如圖3所示。

通過對峰值電壓檢測電路模擬仿真以及在分析的基礎上進行了優化，如圖4所示。原電路中D2的功能主要是將C1端的信號單向轉移至T1發射極端，但因為D1的存在，電流無法從C1向R1流過，因此D2元器件可省去，減少功耗；R2在原電路中的功能主要起降壓作用，但由于C1在電路中跟隨并保持壓電振子兩端的電壓需要一定的時間滯后，而這時壓電振子端的電壓早已下降許多，T1發射極與基極間電壓差高于導通電壓，通過模擬仿真實驗，R2在電路中的降壓作用可去除；原電路中R3的作用主要是將T1集電極的信號轉移至T2基極。T2基極再與集電極進行電壓比較，當T2基極電壓高于集電極電壓時導通，此時T2基極電壓應盡可能大些。R3勢必會引起較大壓降，更為合理的做法應該換成壓降幾乎可忽略不計的單向導通二極管，或者直接去除電阻器R3，用二級管D4代替。

圖3 峰值電壓檢測電路

圖4 改進型峰值電壓檢測電路

將改進后的峰值電壓檢測電路應用于S-SSHI，得到如圖5所示的改進無源S-SSHI。

圖5 改進無源S-SSHI模擬電路

3 結果分析

將經典電路與改進無源S-SSHI模擬電路圖繪制成PCB板，并接入實驗測試系統中。通過數據采集卡和功率分析儀分別測量出負載端輸出電壓和功率。

3.1 電壓響應穩定時間分析

電壓響應穩定時間指負載端輸出直流電壓從初始零時刻至穩定時刻所耗費的時間。通過改變負載阻值，對經典能量采集電路、改進無源S-SSHI輸出電壓響應穩定時間模擬測量，得到對比曲線如圖6所示。得出如下結論：

1)隨著負載阻值對數增加，2種充電電路電壓響應穩定時間均呈直線上升趨勢。但改進無源S-SSHI電壓響應穩定時間較快，高負載情況下尤為明顯；

2)改進無源S-SSHI無論負載阻值如何變化，電壓響應穩定時間均最快，適用于需快速供能的網絡傳感節點。

3.2 輸出功率分析

通過改變負載阻值，對經典能量采集電路、改進無源S-SSHI輸出功率模擬與實驗測量，得到對比曲線如圖7所示。得出如下結論：

1)實驗電路輸出功率相對模擬值較低些，但實驗測量曲線與模擬曲線吻合程度較高；

2)隨著負載阻值對數的增加，經典電路、改進無源S-SSHI呈現近似正態分布曲線規律；

3)經典電路最大輸出功率為10.363 mW，與理論計算10.7 mW一致，改進無源S-SSHI模擬最大輸出功率為51.243 mW，是經典電路功率輸出最高值的4.95倍；

4)當負載電阻值較低的情況下(小于20 kΩ)使用改進無源S-SSHI能得到較高的輸出功率。

圖6 電壓響應穩定時間隨負載變化曲線

圖7 輸出功率隨負載變化曲線

4 結束語

設計了一種改進的無源S-SSHI電路，具有高功率輸出和快速穩定的特征，為無線網絡傳感節點供能應用提供理論依據。