具有電路狀態(tài)控制的低功耗壓電能量采集電路設計＊

李許軍，姜毅龍

（甘肅機電職業(yè)技術學院，甘肅 天水 741001）

在自然環(huán)境中大多數(shù)機械能具有不連續(xù)和隨機不可控性，利用壓電能量采集器可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能，但電能轉(zhuǎn)換需專用的能量采集接口電路，才能有效提高能量的采集效率。早在2008年，某地鐵站人行通道上利用行人走路使壓電能量采集系統(tǒng)產(chǎn)生電能，為電子設備供電[1]；2012年有學者設計道路車輛壓電能量采集系統(tǒng)，利用汽車輪胎碾壓路面上壓電能量轉(zhuǎn)換裝置，將械能轉(zhuǎn)換為電能[2]；2017年，有學者設計了一種水流壓電能量采集系統(tǒng)，通過水流產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電能[3]；2017年，有學者設計了一種高效率的電磁機械能量采集器，裝置分為交直流變換器和DC-DC變換器，系統(tǒng)可以實現(xiàn)阻抗匹配，提高了采集效率，穩(wěn)定的輸出5V電壓[4]；2018年有學者設計了一種移動車輛作用橋梁系統(tǒng)的振動能量俘獲的模型，實驗表明該系統(tǒng)能有效地收集橋梁系統(tǒng)的振動能量[5]；2021年有學者設計了一種壓電能量采集器接口電路，通過優(yōu)化整流電路降低了整流二極管導通損耗，提高了壓電能量采集效率[6]。

采集不同類型的環(huán)境能量需要專門的能量采集器，因此能量采集器設計重點是不同的[7-10]。目前，大部分文獻表明，能量轉(zhuǎn)換電路的設計重點在于采用低功耗器件、阻抗匹配、電路拓撲等方法來提高能量采集效率[11-13]，但很少考慮當采集環(huán)境能量較低時控制采集電路的工作狀態(tài)來降低功耗。本文考慮外部輸入能量大小的情況，設計了一種低功耗壓電能量采集電路來提高能量采集效率。

1 低功耗壓電能量的采集電路設計

1．1 壓電能量采集器的系統(tǒng)設計

壓電能量采集系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由壓電電能轉(zhuǎn)換電路、壓電元件和儲能設備組成。壓電電能轉(zhuǎn)換電路由AC-DC整流器、DC-DC開關變換器、振蕩器、工作狀態(tài)控制電路4部分組成。

圖1 壓電能量采集器系統(tǒng)框圖

1．2 阻抗匹配電路

Buck-Boost型DC-DC開關變換器的等效電路如圖2（a）所示，變換器的等效輸入阻抗與外部負載大小無關[14]，在外部能量輸入不連續(xù)的情況下，設置合適的電感L、開關周期Ts和開關信號占空比D的值，就能實現(xiàn)壓電能量轉(zhuǎn)換電路的輸入輸出阻抗匹配[15]。采用這種阻抗匹配方法電路結構簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)壓電能量轉(zhuǎn)換電路最大功率輸出。

圖2 Buck-boos型DC-DC開關變換器等效電路

開關變換器的等效輸入阻抗為：

圖2（b）為Buck-Boost型DC-DC開關變換器開關信號占空比D與電感L的電流波形圖。

Buck-boos型DC-DC 開關變換器工作條件[16]為：

其中：Vin-max是開關變換器最大輸入電壓，Vo-min是開關變換器最小輸出電壓。

要確定DC-DC開關變換器的占空比D值，首先根據(jù)電源輸出電壓紋波要求，選擇合適的電感L值和開關周期 Ts，電路達到阻抗匹配，即 Rinput＝Routput，依據(jù)（1）式，得到開關信號占空比。

在非連續(xù)隨機壓電能量輸入Buck-boost型DC-DC開關變換器工作狀態(tài)下，變換器最大的功率消耗在MOSFET開關管和二極管Dio上[17]。假設開關變換器中MOSFET開關管的等效導通電阻為Ron，二極管Dio的導通電壓為Vdiode，電感L的等效串聯(lián)阻抗為RL，在開關變換器導通Ton和關斷Toff階段，MOSFET開關管和二極管Dio的損耗PLoss_on和PLoss_off分別如式（3）和式（4）表示：

從式（3）、（4）可以看出，通過減小 MOSFET 開關管的導通電阻Ron和電感L的等效串聯(lián)阻抗RL，可以減小MOSFET管和二極管中的通斷損耗，從而提高電能轉(zhuǎn)換效率。

1．3 振蕩器電路

振蕩器電路如圖3所示，電路輸出信號用于驅(qū)動MOSFET開關管M1。運算放大器A1與外圍元件構成振蕩電路，輸出固定占空比D和周期Ts的方波信號，為了實現(xiàn)對占空比D和周期Ts的調(diào)節(jié)，可以通過調(diào)節(jié)電阻R1、R2或電容CC大小達到。

圖3 振蕩器電路

1．4 電路工作狀態(tài)控制電路

電路工作狀態(tài)控制電路由圖4中MOSFET開關管M2、比較器A2及外圍電路組成，其功能是當電路檢測到有電能輸入時，判斷并控制壓電能量轉(zhuǎn)換電路工作狀態(tài)。比較器 A2與電阻 R6＝R7、R8＝R9構成了增益為R8／R6的差分放大器，用于放大電容Cin兩端的電壓VCin，比較器A2的輸出電壓VA2＝（R8／R6）×VCin。VA2用于以控制 MOSFET 開關管 M2的通斷。

圖4 低功耗壓電能量采集電路

圖4為低功耗壓電能量采集電路。工作原理是，當外接機械能觸發(fā)壓電元件PZT將其轉(zhuǎn)換為電能時，整流電路開始工作并向電容Cin中充電，Cin兩端電壓VA2逐漸增大，當VA2大于MOSFET開關管M2的閾值電壓VthNM2時，開關管M2導通，致使振蕩器V1開始工作輸出信號VA1，VA1經(jīng)反相器 A3輸出驅(qū)動信號 VA3，MOSFET開關管M1導通，壓電電能轉(zhuǎn)換電路進入正常工作狀態(tài)，向外部開始供電。反之，當PZT產(chǎn)生的電能太小時，Cin兩端電壓小于M2的閾值電壓，導致MOSFET開關管M2關斷，振蕩器仍處于停止工作狀態(tài)，能量采集電路處于停止工作狀態(tài)，進入休眠模式，MOSFET開關管M1和二極管Dio上無功率損耗，減小了電能損耗。

圖4中，比較器A2的電源電壓為系統(tǒng)的輸出電壓Vo（即Vout＝Vo），當VA2小于Vo時，VA2＝（R8／R6）×VCin，VA2大小隨VCin成正比變化，當VA2值增大到Vo時，VA2不再隨Vo變化。因此，只有VCin上升到一定值的時候，采集電路才開始工作，此時這個VCin的值為電路開啟工作的最小電壓VCin-min：

2 壓電能量采集系統(tǒng)的功能驗證

2．1 壓電能量采集電路的元器選擇

在滿足輸出電壓電流性能下，電路器件盡量選擇低功耗的器件，制作完成了實驗電路，通過實驗驗證電路有效性和工作性能，電路主要器件如表1所示。儲能器件采用18650鋰電池，同時鋰電池可以為電路提供工作電源，實現(xiàn)系統(tǒng)的自供電。

表1 壓電能量采集電路的器件

2．2 純阻性阻抗匹配

Buck-boost型DC-DC開關變換器電路的等效輸入阻抗為 Rin＝2L／D2Ts，結合比較器的性能，設置Ts＝10kHz、電感L＝2．2mH，根據(jù)（2）式計算出開 DCDC關變換器的占空比D＝0．047，設定電路進入工作時的門檻電壓為0．7V。

如圖5為壓電能量采集電路輸出阻抗的實驗測試波形，波形顯示輸出電壓隨著接入電路外部負載的增大而增大，但是輸出功率呈現(xiàn)出先遞增再減小的走向，當外接負載達到25kΩ時，輸出功率達到最大值。

圖5 DC-DC開關變換器輸出負載特性曲線

2．3 電路的功能測試

壓電能量采集器的壓電裝置采用懸臂梁結構，特點是輸出的電壓較高。通過電動機帶動敲擊棒敲擊壓電片振動產(chǎn)生電能，利用信號發(fā)生器的輸出方波控制電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，模擬外界隨機機械能。實驗以電機帶動敲擊棒連續(xù)敲擊2次壓電材料，檢測壓電能量采集系統(tǒng)的采集電能情況，電路中輸出電壓及主要控制信號波形如圖6所示。

圖6 輸出電壓及主要控制信號波形

圖6 中曲線 1、2、3 分別為 VCin、VA1、VA3的電壓波形。如圖顯示，當電容Cin兩端電壓VCin大于0．7V后，電路開始工作，VCin逐漸增大，持續(xù)約100ms到達最大值，又開始減小，持續(xù)約200ms，電容Cin兩端電壓VCin小于0．7V，電路停止工作，進入休眠模式。在一個能量采集工作周期內(nèi)，電路分為工作時間和休眠時間，當采集電能電壓達到設定的門檻電壓后，電路開始能量采集轉(zhuǎn)換和存儲；反之，當輸入的電能過低，電路停止工作，進入休眠狀態(tài)。因此，當非連續(xù)隨機壓電能量采集器中加入工作狀態(tài)控制電路后，電路在外界沒有能量輸入或能量過小時，工作狀態(tài)控制電路控制DC-DC開關變換器停止工作，大幅度地降低了DC-DC開關變換器功耗，提高了系統(tǒng)壓電能量采集效率。

3 結論

在非連續(xù)隨壓電能量采集電路中，為提高壓電能量采集效率，設計了一種具有電路狀態(tài)控制的低功耗壓電能量采集電路，為了驗證電路的有效性，完成了實驗電路搭建。實驗表明，當電動機以一定的轉(zhuǎn)速帶動敲擊棒敲擊壓電片后，具有電路狀態(tài)控制的壓電能量采集電路能夠有效降低電路功耗。該電路可以廣泛應用于無線感知節(jié)點，代替電池給無線傳感器節(jié)點等設備供電，實現(xiàn)系統(tǒng)自供電。