一种基于双压电能收集器的能量提取接口电路
阅读说明：本技术 一种基于双压电能收集器的能量提取接口电路 (Energy extraction interface circuit based on double-voltage electric energy collector ) 是由 黄海鸥 胡小江 梁丕树 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于双压电能收集器的能量提取接口电路,包括第一压电能量收集模块、第二压电能量收集模块和电能中转模块,第一压电能量收集模块和第二压电能量收集模块分别与电能中转模块电连接；本基于双压电能收集器的能量提取接口电路将其分成了两个阶段来进行,第一个阶段采用同步开关技术,第二个阶段通过电感L1续流来实现压电能量收集器PEH2两端的电压或压电能量收集器PEH1两端的电压的预偏置和电感L1的磁能所产生的电能转移到储能电容CS中；本发明的适用负载阻值范围远远优于全桥整流器(FBR)的适用负载阻值范围,优于SECE电路的适用负载阻值范围。(The invention provides an energy extraction interface circuit based on a double-voltage electric energy collector, which comprises a first piezoelectric energy collection module, a second piezoelectric energy collection module and an electric energy transfer module, wherein the first piezoelectric energy collection module and the second piezoelectric energy collection module are respectively and electrically connected with the electric energy transfer module; the energy extraction interface circuit based on the double-voltage electric energy collector is divided into two stages to be carried out, the first stage adopts a synchronous switching technology, and the second stage realizes pre-biasing of voltage at two ends of a piezoelectric energy collector PEH2 or voltage at two ends of the piezoelectric energy collector PEH1 and electric energy generated by magnetic energy of an inductor L1 to be transferred into an energy storage capacitor CS through follow current of the inductor L1; the applicable load resistance range of the invention is far superior to that of a Full Bridge Rectifier (FBR) and that of an SECE circuit.)
技术领域
本发明涉及电能收集电路技术领域，尤其是一种基于双压电能收集器的能量提取接口电路。
背景技术
压电能量收集器(PEH)因其具有较高的功率密度和易于集成等优点，在驱动低功耗电子器件上展现出巨大的潜力，PEH在运作时会随外界的振动会发生形变，从而产生交变的电流。因此，能将PEH输出的交流电转化成可供负载使用的直流电的整流接口电路必不可少。设计巧妙的接口电路可以大幅提升从PEH提取电荷的能力。在过去二十年，同步开关技术(或非线性转换增强技术)被广泛应用于PEH接口电路，比如著名的SSHI和SECE电路，以及它们的拓展电路，SSDCI、DSSH和PSECE等。但是这些接口电路基本都是针对单个PEH进行能量提取。
双PEH的配置可以带来更强的功率输出、更宽的工作频率，以及在面临复杂多变的环境下更高的可靠性。因此，越来越多的研究者开始进行相关的探索。然而，目前能对两个PEH同时进行能量提取的接口电路研究还很少，现有文献报导的主流方案就是对最基本的全桥整流器(FBR)和SECE电路进行多输入扩展。
全桥整流器(FBR)就是采用一个PEH对应一个FBR的设计，该接口电路虽然简单，但是转换效率很低，且输出功率的大小受负载影响很大。
共享电感的双输入SECE电路可以改善转换效率，也可实现负载独立的特性，然而相对于FBR电路，输出功率的提升仍然限制在四倍以内。如何进一步提高针对双PEH的接口电路的转换效率，并同时实现一个较宽范围的适用负载阻值极具研究意义。
为此，有必要提出一种基于双压电能收集器的能量提取接口电路来解决上述问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种基于双压电能收集器的能量提取接口电路来解决上述问题。
本发明通过以下技术方案实现的：
本发明提出一种基于双压电能收集器的能量提取接口电路，包括第一压电能量收集模块、第二压电能量收集模块和电能中转模块，所述第一压电能量收集模块和所述第二压电能量收集模块分别与所述电能中转模块电连接，所述电能中转模块包括电子开关S9、电子开关S10、电子开关S11、续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D3、电感L1、电容CS、负载电阻RL，所述电子开关S9一端分别与所述第一压电能量收集模块一端和所述续流二极管D1一端电连接，所述电子开关S9另一端分别与所述电子开关S10一端、所述续流二极管D3一端、所述电感L1一端电连接，所述电感L1另一端分别与所述续流二极管D1另一端、所述续流二极管D2一端、所述电子开关S11一端电连接，所述续流二极管D3另一端分别与所述电容CS一端以及所述负载电阻RL一端电连接并接地，所述电子开关S11另一端分别与所述第一压电能量收集模块另一端、所述电容CS另一端、所述负载电阻RL另一端以及所述第二压电能量收集模块一端电连接，所述续流二极管D2另一端分别与所述电子开关S10另一端和所述第二压电能量收集模块另一端电连接。
进一步的，所述第一压电能量收集模块包括压电能量收集器PEH1、电子开关S1、电子开关S2、电子开关S3和电子开关S4，所述压电能量收集器PEH1一端分别与所述电子开关S1一端以及电子开关S4一端电连接，所述电子开关S1另一端分别与所述电子开关S2一端以及所述电能中转模块一端电连接，所述电子开关S2另一端分别与所述压电能量收集器PEH1另一端以及电子开关S3一端电连接，所述电子开关S3另一端分别与所述电子开关S4另一端以及所述电能中转模块另一端电连接。
进一步的，所述第二压电能量收集模块包括压电能量收集器PEH2、电子开关S5、电子开关S6、电子开关S7和电子开关S8，所述压电能量收集器PEH2一端分别与所述电子开关S5一端以及电子开关S8一端电连接，所述电子开关S5另一端分别与所述电子开关S6一端以及所述电能中转模块一端电连接，所述电子开关S6另一端分别与所述压电能量收集器PEH2另一端以及电子开关S7一端电连接，所述电子开关S7另一端分别与所述电子开关S8另一端以及所述电能中转模块另一端电连接。
本发明的有益效果：
本发明提出一种基于双压电能收集器的能量提取接口电路，包括第一压电能量收集模块、第二压电能量收集模块和电能中转模块，第一压电能量收集模块和第二压电能量收集模块分别与电能中转模块电连接；针对每个压电能量收集模块的一个能量提取周期，本基于双压电能收集器的能量提取接口电路将其分成了两个阶段来进行，第一个阶段采用同步开关技术，提取压电能量收集器PEH1或压电能量收集器PEH2中的能量到电感L1中，第二个阶段通过电感L1续流来实现压电能量收集器PEH2两端的电压或压电能量收集器PEH1两端的电压的预偏置和电感L1的磁能所产生的电能转移到储能电容CS中；经仿真验证，当压电能量收集器PEH1和压电能量收集器PEH2在恒振幅激励下，本发明的输出功率最优值是全桥整流器(FBR)功率最优值的7.3倍，是SECE电路功率最优值的4.3倍。同时本发明的输出功率稳定值是全桥整流器(FBR)功率最优值的5.1倍，是SECE电路功率最优值的1.2倍；而且，本发明的适用负载阻值范围远远优于全桥整流器(FBR)的适用负载阻值范围，甚至略优于SECE电路的适用负载阻值范围。
附图说明
图1为本发明提出的基于双压电能收集器的能量提取接口电路的拓扑示意图；
图2为本发明提出的基于双压电能收集器的能量提取接口电路的运行原理示意图；
图3为本发明提出的基于双压电能收集器的能量提取接口电路的典型波形示意图；
图4为本发明提出的基于双压电能收集器的能量提取接口电路的输出功率同现有方案的对比示意图；
图5为本发明提出的基于双压电能收集器的能量提取接口电路的实际运用架构框图示意图。
具体实施方式
为了更加清楚、完整的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。
请参考图1和图2，本发明提出一种基于双压电能收集器的能量提取接口电路，包括第一压电能量收集模块1、第二压电能量收集模块2和电能中转模块3，第一压电能量收集模块1和第二压电能量收集模块2分别与电能中转模块3电连接，电能中转模块3包括电子开关S9、电子开关S10、电子开关S11、续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D3、电感L1、电容CS、负载电阻RL，电子开关S9一端分别与第一压电能量收集模块1一端和续流二极管D1一端电连接，电子开关S9另一端分别与电子开关S10一端、续流二极管D3一端、电感L1一端电连接，电感L1另一端分别与续流二极管D1另一端、续流二极管D2一端、电子开关S11一端电连接，续流二极管D3另一端分别与电容CS一端以及负载电阻RL一端电连接并接地，电子开关S11另一端分别与第一压电能量收集模块1另一端、电容CS另一端、负载电阻RL另一端以及第二压电能量收集模块2一端电连接，续流二极管D2另一端分别与电子开关S10另一端和第二压电能量收集模块2另一端电连接；第一压电能量收集模块1包括压电能量收集器PEH1、电子开关S1、电子开关S2、电子开关S3和电子开关S4，压电能量收集器PEH1一端分别与电子开关S1一端以及电子开关S4一端电连接，电子开关S1另一端分别与电子开关S2一端以及电能中转模块3一端电连接，电子开关S2另一端分别与压电能量收集器PEH1另一端以及电子开关S3一端电连接，电子开关S3另一端分别与电子开关S4另一端以及电能中转模块3另一端电连接；第二压电能量收集模块2包括压电能量收集器PEH2、电子开关S5、电子开关S6、电子开关S7和电子开关S8，压电能量收集器PEH2一端分别与电子开关S5一端以及电子开关S8一端电连接，电子开关S5另一端分别与电子开关S6一端以及电能中转模块3一端电连接，电子开关S6另一端分别与压电能量收集器PEH2另一端以及电子开关S7一端电连接，电子开关S7另一端分别与电子开关S8另一端以及电能中转模块3另一端电连接。
在本实施方式中：
本基于双压电能收集器的能量提取接口电路具体运行原理描述如下：在压电能量收集器PEH1两端的电压VPEH1达到极大值时，电子开关S1、电子开关S3、电子开关S9和电子开关S11闭合，压电能量收集器PEH1内的夹断电容CP1和电感L1形成一个L1-CP1谐振回路，经过四分之一谐振周期，夹断电容CP1上的电荷全部转移至L1中，电压VPEH1随即由最大值陡降至0V，L1中的电流达到最大值；此时，断开电子开关S1、电子开关S3、电子开关S9和电子开关S11，闭合电子开关S5和电子开关S7，电感L1、电容CS和压电能量收集器PEH2的夹断电容CP2形成一个新的L1-CS-CP2谐振回路；
续流二极管D2和续流二极管D3确保储存在电感L1中的能量在二分之一谐振周期后，小部分转移至CP2实现电压VPEH2预偏置以提高其电阻尼，剩余的大部分电能则转移至电容CS中完成能量储存；
在压电能量收集器PEH1两端的电压VPEH1达到极小值时，电子开关S2、电子开关S4、电子开关S9和电子开关S11闭合，夹断电容CP1和电感L1形成一个L1-CP1谐振回路，经过四分之一谐振周期，夹断电容CP1上的电荷全部转移至电感L1中，电压VPEH1随即由最小值陡升至0V，电感L1中的电流达到最大值；此时，断开电子开关S2、电子开关S4、电子开关S9和电子开关S11，闭合电子开关S6和电子开关S8，电感L1、电容CS和夹断电容CP2形成一个新的L1-CS-CP2谐振回路。
续流二极管D2和续流二极管D3确保储存在电感L1中的能量在二分之一谐振周期后，小部分转移至夹断电容CP2实现电压VPEH2预偏置以提高其电阻尼，剩余的大部分电能则转移至电容CS中完成能量储存；
类似地，在压电能量收集器PEH2两端的电压VPEH2达到极大值时，电子开关S5、电子开关S7、电子开关S10和电子开关S11闭合，夹断电容CP2和电感L1形成一个L1-CP2谐振回路，经过四分之一谐振周期，夹断电容CP2上的电荷全部转移至电感L1中，电压VPEH2随即由最大值陡降至0V，电感L1中的电流达到最大值；此时，断开电子开关S5、电子开关S7、电子开关S10和电子开关S11，闭合电子开关S2和电子开关S4，电感L1、电容CS和夹断电容CP1形成一个新的L1-CS-CP1谐振回路；
续流二极管D1和续流二极管D3确保储存在电感L1中的能量在二分之一谐振周期后，小部分转移至夹断电容CP1实现电压VPEH1预偏置以提高其电阻尼，剩余大部分转移至CS中完成能量储存；
在压电能量收集器PEH2两端的电压VPEH2达到极小值时，电子开关S6、电子开关S8、电子开关S10和电子开关S11闭合，夹断电容CP2和电感L1形成一个L1-CP2谐振回路，经过四分之一谐振周期，夹断电容CP2上的电荷全部转移至电感L1中，电压VPEH2随即由最小值陡升至0V，电感L1中的电流达到最大值；此时，断开电子开关S6、电子开关S8、电子开关S10和电子开关S11，闭合电子开关S1和电子开关S3，电感L1、电容CS和夹断电容CP1形成一个新的L1-CS-CP1谐振回路；
续流二极管D1和续流二极管D3确保储存在电感L1中的能量在二分之一谐振周期后，小部分转移至夹断电容CP1实现电压VPEH1预偏置以提高其电阻尼，剩余大部分转移至电容CS中完成能量储存。
请参考图3，为本发明提出的一种基于双压电能收集器的能量提取接口电路在稳态运行时的典型波形。当电压VPEH1或电压VPEH2到达极大值或极小值时，相应的开关闭合，形成第一阶段的LC谐振回路。压电能量收集器PEH1或压电能量收集器PEH2中其中一个的能量被瞬间提取至电感L1中，同时压电电压迅速到达0V。接着，电感续流，进入第二阶段，另一个压电能量收集器在续流阶段形成的LC谐振回路中被充电，即预偏置，同时电感L1中余下能量转移至储能电容CS当中，①和②号虚线方框的压电电压与关键器件电流放大图清晰地展示了两个阶段的运行特征。
请参考图4，此图为在仿真软件LTSpice中，使用理想器件得到的功率与负载阻值关系曲线。在相同振幅激励条件下，本发明的输出功率对比传统的两个全桥整流器并联电路和现有的双输入SECE电路相比，输出功率有显著的提高。在最优负载阻值处，本发明的输出功率是全桥结构最优功率的7.3倍，是SECE电路功率最优值的4.3倍。同时本发明的输出功率稳定值是全桥电路功率最优值的5.1倍，是SECE电路功率最优值的1.2倍；而且，本发明的适用负载阻值范围远远优于全桥电路的适用负载阻值范围，甚至略优于SECE电路的适用负载阻值范围。
请参考图5，为本发明提出的一种基于双压电能收集器的能量提取接口电路的实际运用架构，包括SMPB电路模块，无源启动模块(PSM)、过零检测器(ZCD)、峰值检测器(PKD)、数字逻辑控制器(DLC)和开关驱动电路(SDC)；
无源启动模块PSM用于最开始积累能量，以便冷启动后驱动峰值检测器PKD、过零检测器ZCD和数字逻辑控制器DLC；
峰值检测器PKD用于实时监测压电波形的极大值和极小值对应的时刻，以便进入第一阶段；
过零检测器ZCD用于实时监测第一阶段的结束时刻，以便无缝进入第二阶段；
数字逻辑控制器DLC根据峰值检测器PKD和过零检测器ZCD的信号，通过数字逻辑电路，生成开关控制信号；
开关驱动电路SDC利用数字逻辑控制器DLC输出的开关信号驱动SMPB电路模块中的MOS开关S1-S11完成整体电路的正确运行。
当然，本发明还可有其它多种实施方式，基于本实施方式，本领域的普通技术人员在没有做出任何创造性劳动的前提下所获得其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
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