壓電能量收集接口電路的設(shè)計(jì)與仿真

王永耀，李 莉,2，安然然，于慧慧，馬雄飛，陳 鵬

(1.沈陽(yáng)化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142；2.遼寧省化工過(guò)程工業(yè)智能化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

0 引言

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的普及，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通信息采集、建筑信息采集等領(lǐng)域。目前無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的供電常依賴于傳統(tǒng)的化學(xué)電池，但是傳統(tǒng)的化學(xué)電池具有高低溫敏感，易燃及壽命低等缺點(diǎn)，而在沙漠、原始森林、深海等無(wú)人區(qū)部署的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，則其電池有著不可更換性，嚴(yán)重影響了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命[1-2]。因此，利用壓電陶瓷等換能材料將環(huán)境的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)電池為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定高效的供能成為研究熱點(diǎn)。由于壓電陶瓷在將環(huán)境的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程中，其輸出電壓為交變電壓，而多數(shù)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)等無(wú)線小功率設(shè)備都需要直流電源，故壓電能量收集器需要接口電路的支持。目前對(duì)壓電能量收集技術(shù)的研究主要集中在壓電陶瓷的材料及振動(dòng)形式上，對(duì)于接口電路則研究較少，當(dāng)壓電陶瓷產(chǎn)生的電能固定時(shí)，則提高壓電能量收集接口電路的轉(zhuǎn)換效率尤為重要。

目前壓電能量收集接口電路主要有標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路、串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電路、并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電路、同步電荷提取電路(SECE)及其衍生電路等。Ottman等[3]首次提出標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路，并進(jìn)行了建模及理論分析。lefeuvre等[4]提出了串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感接口電路(S-SSHI),在壓電器件與整流橋之間串聯(lián)開(kāi)關(guān)器件S與儲(chǔ)能電感L。利用S的通斷對(duì)壓電器件產(chǎn)生的電壓進(jìn)行非線性同步處理，提高了電路的開(kāi)路輸出電壓，并且減小了壓電器件內(nèi)部等效電容的電荷消耗，但是開(kāi)關(guān)時(shí)序較難控制。其還提出了一種SECE，采用該電路使壓電器件與后級(jí)負(fù)載電路的大部分時(shí)間斷開(kāi)，這使SECE具有解耦作用及輸出功率與負(fù)載無(wú)關(guān)。Guyomar等[5]提出了并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感電路(P-SSHI)，與S-SSHI的區(qū)別是S與L為并聯(lián)，同樣是通過(guò)對(duì)壓電器件產(chǎn)生的電壓進(jìn)行非線性處理，使得壓電器件內(nèi)部的等效電容與外部電感形成諧振電路，從而提高壓電能量收集的效率。Lallart等[6]提出的雙同步開(kāi)關(guān)電感電路(DSSH)最大功率達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)電路的5倍。梁俊睿等[7]提出了同步三偏置電壓翻轉(zhuǎn)功率調(diào)理電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電路收集功率比P-SSHI接口電路的收集功率提高了24.5%。沈輝等[8]提出的增強(qiáng)型同步開(kāi)關(guān)電路(ESSH)較DSSH的輸出功率有較大提升。周興等[9]提出了一種超低壓降有源整流的自適應(yīng)并聯(lián)電感同步開(kāi)關(guān)接口電路，其輸出功率達(dá)到291.35 μW。以上研究都是在特定時(shí)刻將壓電陶瓷產(chǎn)生的能量通過(guò)接口電路傳遞給負(fù)載，而其余時(shí)刻的能量則不能供給負(fù)載，降低了能量的轉(zhuǎn)換效率。

為了提高壓電能量收集接口電路的轉(zhuǎn)換效率，使得壓電陶瓷產(chǎn)生的能量更多地提供給負(fù)載，本文提出了一種基于增強(qiáng)型同步電荷提取電路的壓電能量收集接口電路(ESECE),并通過(guò)理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了該接口電路的有效性與優(yōu)越性。

1 理論模型

為了簡(jiǎn)化壓電能量收集器的機(jī)電耦合計(jì)算，對(duì)壓電懸臂梁建立簡(jiǎn)化等效電路模型，用于理論計(jì)算及模型仿真。壓電懸臂梁的機(jī)電耦合可以等效為彈簧-質(zhì)量-阻尼的單自由度系統(tǒng)[10]，如圖1所示。

圖1 壓電能量收集器等效模型

圖1中，c為壓電能量收集器的等效阻尼，Ks為等效剛度系數(shù)，M為等效質(zhì)量，F(xiàn)為施加在壓電收集器上的外力，VCp為壓電器件的開(kāi)路電壓，u為壓電器件的振動(dòng)位移,I1為壓電器件的等效輸出電流。

壓電懸臂梁的機(jī)電方程和運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

(2)

式中：α為壓電器件的應(yīng)力強(qiáng)度因子；Cp為壓電器件的等效電容；KE為系統(tǒng)等效剛度系數(shù)，其表達(dá)式為

KE=KPE+Ks

(3)

式中KPE為壓電器件的短路等效剛度系數(shù)。

在壓電能量收集領(lǐng)域，壓電器件通常工作在幾赫茲到幾十赫茲之間，并且運(yùn)動(dòng)位移一般為規(guī)律的正弦運(yùn)動(dòng)。在忽略壓電器件介電損失等效泄露電阻的情況下，可將壓電器件等效為電流源I=IM·sin(ωt)與Cp并聯(lián)的電路模型。壓電器件等效電路模型如圖2所示。圖中，f為機(jī)械振動(dòng)的頻率。

圖2 壓電器件等效電路模型

壓電器件的等效輸出電流為

(4)

設(shè)u=-UMcos(ωt)(其中UM為壓電器件振動(dòng)位移的幅值)，根據(jù)式(2)可得

(5)

聯(lián)立式(4)、(5)可得：

IM=ωαUM=2πfαUM

(6)

式中ω為機(jī)械振動(dòng)角頻率。

壓電器件的開(kāi)路電壓為

(7)

2 接口電路分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)壓電能量收集接口電路(SEH)

標(biāo)準(zhǔn)的壓電能量收集接口電路(SEH)(見(jiàn)圖3)是最早應(yīng)用在壓電能量收集方面的接口電路，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，通常由4個(gè)整流二極管和1個(gè)濾波電容構(gòu)成，濾波電路后接直流負(fù)載。壓電陶瓷可等效為1個(gè)電流源并聯(lián)1個(gè)等效電容，電壓陶瓷在外力作用下產(chǎn)生形變后轉(zhuǎn)化成交流電流，交流電流進(jìn)入整流橋，并將正負(fù)都有的交流電流轉(zhuǎn)換成只有正電流的脈動(dòng)電流，進(jìn)而通過(guò)濾波電容過(guò)濾成直流電流，供后級(jí)負(fù)載使用。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)能量收集接口電路

SEH的輸出功率為

(8)

式中RL為負(fù)載電阻。

2.2 SECE接口電路

圖4為在SEH的基礎(chǔ)上改進(jìn)的SECE。為了提高標(biāo)準(zhǔn)接口電路的轉(zhuǎn)換效率，在其基礎(chǔ)上增加Buck-Boost電路，其結(jié)構(gòu)為在整流二極管后級(jí)增加電感、二極管及開(kāi)關(guān)器件，組成后級(jí)調(diào)壓電路。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)時(shí)刻，周期性地提取壓電陶瓷內(nèi)部等效電容上的能量，從而提高接口電路的轉(zhuǎn)換效率。

圖4 同步電荷提取電路

SECE的輸出功率為

(9)

式中η為Buck-Boost電路的轉(zhuǎn)換效率。

結(jié)合式(8)、(9)可得SECE在負(fù)載電阻無(wú)關(guān)性方面較SEH有明顯的優(yōu)勢(shì)。但SECE只在特定時(shí)刻將壓電陶瓷的能量傳遞給負(fù)載，其余時(shí)刻的能量則不能傳遞給負(fù)載，因此，為了解決這一問(wèn)題我們提出了一種改進(jìn)型接口電路，即ESECE。

3 設(shè)計(jì)與仿真

3.1 增強(qiáng)型同步電荷提取電路

本文設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)型同步電荷提取電路(ESECE)(見(jiàn)圖5)，壓電陶瓷等效為電流源Ip和Cp并聯(lián)，D1、D2、D3、D44個(gè)整流二極管組成全橋整流電路，二極管D5、D6、D7和電容C1、C2及電阻R1組成儲(chǔ)能電路，電感L1、開(kāi)關(guān)器件S1、整流二極管D8及濾波電容CL組成Buck-Boost電路。

圖5 增強(qiáng)型同步電荷提取電路

圖6為ESECE的穩(wěn)態(tài)波形示意圖。圖中，T為振蕩周期，uin(t)為在外力作用下壓電陶瓷的振動(dòng)位移，VPZT(t)為壓電陶瓷兩端的電壓，iPZT(t)為壓電陶瓷產(chǎn)生的電流。設(shè)壓電陶瓷的位移變化為正弦位移，產(chǎn)生在壓電陶瓷兩端的電壓也為正弦電壓，在0～t0內(nèi)正弦電壓從0往峰值逐漸變化，D1和D4導(dǎo)通，壓電陶瓷產(chǎn)生的電流一部分通過(guò)同步電荷提取電路向后級(jí)負(fù)載供電，另一部分流經(jīng)D1和D6給C1、C2充電，R1此時(shí)起到限定充電電流的作用，此時(shí)C1和C2為串聯(lián)連接，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值電壓時(shí)，C1和C2兩端的電壓之和為峰值電壓。在t0～t1內(nèi)，壓電陶瓷兩端的電壓從峰值逐漸降低，此時(shí)C1和C2兩端的電壓之和高于整流后的電壓，故D6截止，此時(shí)不對(duì)C1、C2充電，壓電陶瓷產(chǎn)生的電流只通過(guò)整流二極管和同步電荷提取電路給負(fù)載供電，當(dāng)壓電陶瓷兩端的電壓降低到峰值的一半時(shí)，壓電陶瓷產(chǎn)生的電壓等于C1、C2兩端的電壓，D1和D4兩端無(wú)電壓差，整流二極管截止導(dǎo)通，此時(shí)由C1、C2并聯(lián)通過(guò)同步電荷提取電路給后級(jí)負(fù)載供電。在正弦電壓的負(fù)半周期，D2和D3導(dǎo)通，儲(chǔ)能電路重復(fù)以上過(guò)程。

圖6 增強(qiáng)型同步電荷提取電路波形示意圖

將ESECE各器件的工作狀態(tài)分為4個(gè)階段：

2) 在t0～t1階段。壓電陶瓷的位移從正半周期的峰值往0移動(dòng)，VPZT(t)隨之緩慢降低，由于VPZT(t)低于儲(chǔ)能電路C1、C2的電壓，故此時(shí)壓電陶瓷不給后級(jí)負(fù)載電路供能，切換至電容C1和C2并聯(lián)經(jīng)過(guò)Buck-Boost電路給后級(jí)負(fù)載供電。

3) 在t1～t2階段。閉合S1，使儲(chǔ)能電路的C1、C2并聯(lián)給L1充電，C1、C2隨之逐漸降低，由于此時(shí)壓電陶瓷的位移在負(fù)半周期移動(dòng)，VPZT(t)隨之緩慢降低，此時(shí)在壓電陶瓷和C1、C2之間形成電壓差，使D2和D3導(dǎo)通，由于此時(shí)S1為閉合狀態(tài)，故壓電陶瓷也為L(zhǎng)1充電，使壓電陶瓷兩端的電壓由-Vh變?yōu)?Vr。當(dāng)C1和C2的全部電能轉(zhuǎn)移到L1時(shí)關(guān)閉S1，由于電感對(duì)電流的阻礙作用，使電感通過(guò)整流二極管及CL對(duì)后級(jí)負(fù)載進(jìn)行供電。壓電陶瓷的位移在負(fù)半周期移動(dòng)，VPZT(t)隨之緩慢降低，當(dāng)位移達(dá)到負(fù)的峰值時(shí)，VPZT(t)也達(dá)到負(fù)的峰值。

4) 在t2～t3階段。壓電陶瓷的位移從負(fù)半周期的峰值往0移動(dòng)，VPZT(t)隨之緩慢升高，由于VPZT(t)低于儲(chǔ)能電路C1、C2的電壓，故此時(shí)壓電陶瓷不給后級(jí)負(fù)載電路供能，切換至C1、C2并聯(lián)經(jīng)過(guò)同步電荷提取電路給后級(jí)負(fù)載供電。

由于ESECE大部分時(shí)間壓電陶瓷與負(fù)載是斷開(kāi)的，故除去S1的導(dǎo)通時(shí)間外，壓電陶瓷對(duì)外輸出電流為0，根據(jù)式(2)可得：

(10)

在[t1,t2]內(nèi)對(duì)式(10)進(jìn)行積分，得到壓電陶瓷兩端的最大電壓為

(11)

對(duì)諧振電路及整流二極管上的能量損耗忽略不計(jì)，經(jīng)過(guò)1/2個(gè)位移周期后，Buck-Boost電路在壓電陶瓷上采集到的電荷量Qp為

(12)

Buck-Boost電路在無(wú)源功率因數(shù)校正電路的儲(chǔ)能電容上采集到的電荷量Qc為

(13)

聯(lián)立式(11)～(13)可得ESECE的輸出功率為

(14)

對(duì)比式(8)、 (9)、(14)可知，SEH的輸出功率與RL有關(guān)，而SECE和ESECE具有輸出功率與RL無(wú)關(guān)。對(duì)比式(9)、(14)可知，式(14)中包含了C1和C2兩項(xiàng)，則ESECE的輸出功率明顯大于SECE，故ESECE提高了壓電能量收集接口電路的輸出功率。

3.2 ESECE仿真實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究本文提出的ESECE性能，使用Multisim電路仿真軟件建立電路模型進(jìn)行仿真，當(dāng)RL=1 kΩ～2 MΩ，系統(tǒng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的輸出功率。表1為仿真電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)。圖7為增強(qiáng)型同步電荷提取電路仿真模型。

表1 仿真電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)

圖7 增強(qiáng)型同步電荷提取電路仿真模型

圖8為壓電陶瓷兩端的電壓。后級(jí)Buck-Boost電路MOS管的開(kāi)關(guān)會(huì)使VPZT(t)突變4次，在正負(fù)峰-峰值時(shí)突變2次。MOS管導(dǎo)通使壓電陶瓷的能量轉(zhuǎn)移給儲(chǔ)能電感，使得VPZT(t)降至峰值電壓的1/2，另外兩次的電壓突變發(fā)生在峰值前、后1/4周期處，此時(shí)由壓電陶瓷與儲(chǔ)能電容并聯(lián)給儲(chǔ)能電感充電。

圖8 壓電陶瓷兩端的電壓

圖9 MOS管的開(kāi)關(guān)信號(hào)

圖10為ESECE輸出電壓。由于該電路后級(jí)使用了Buck-Boost電路，故輸出直流電壓為負(fù)電壓。當(dāng)RL=100 kΩ時(shí)，電壓輸出波形由0逐漸降低，最終輸出電壓穩(wěn)定在4.2 V。

圖10 ESECE輸出電壓

4 結(jié)果分析

圖11為SEH、SECE和ESECE的RL與輸出功率的理論計(jì)算與仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比曲線。將表1中的數(shù)據(jù)代入式(8)、(9)、(14)計(jì)算得出3條理論計(jì)算的曲線。為了對(duì)比本文提出的ESECE的能量收集性能，在相同的激勵(lì)輸入下，使用Multisim電路仿真軟件對(duì)SEH、SECE和ESECE進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到不同RL下的輸出功率。與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

圖11 壓電能量收集接口電路輸出功率對(duì)比

由圖11可知，SEH仿真實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算基本吻合，由于SECE和ESECE中器件較多，如電感損耗及整流二極管損耗等，導(dǎo)致仿真結(jié)果略低于理論計(jì)算。由圖11還可知，在相同的激勵(lì)條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，ESECE的輸出功率明顯高于SHE、SECE，與SECE相比，ESECE的輸出功率提高了近30%，最大輸出功率達(dá)到了190 μW。SEH對(duì)RL較敏感，當(dāng)RL=100 kΩ時(shí)輸出功率可達(dá)到最大。在RL>300 kΩ時(shí)， ESECE及SECE的輸出功率與負(fù)載無(wú)關(guān)，并且在其基礎(chǔ)上增加了輸出功率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)所提出的增強(qiáng)型同步電荷提取電路進(jìn)行了理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)仿真。通過(guò)Multisim電路仿真軟件對(duì)SEH、SECE和ESECE進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在相同的激勵(lì)條件下，改變負(fù)載電阻得到輸出功率，并進(jìn)行分析對(duì)比。仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的增強(qiáng)型同步電荷提取電路在輸出功率及負(fù)載電阻無(wú)關(guān)性上均優(yōu)于SEH和SECE，比SECE的輸出功率提高了近30%，最大輸出功率達(dá)到了190 μW。ESECE在提高輸出功率的同時(shí)，還保證了輸出功率與負(fù)載無(wú)關(guān)。