多路并行可調(diào)諧能量采集電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅翠線，王艷芬，李朋偉，胡 杰，張雪英

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院微納系統(tǒng)研究中心新型傳感器和智能控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(教育部)，山西太原030024)

多路并行可調(diào)諧能量采集電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅翠線，王艷芬，李朋偉，胡 杰，張雪英

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院微納系統(tǒng)研究中心新型傳感器和智能控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(教育部)，山西太原030024)

針對(duì)傳統(tǒng)能量采集器輸出功率過(guò)低、單一能量采集單元不足以直接驅(qū)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)等負(fù)載的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種多路并行可調(diào)諧能量采集電路。該電路包括能量采集源模塊、全橋整流模塊、電容存儲(chǔ)模塊、電壓調(diào)整模塊和負(fù)載模塊五部分。Multisim軟件仿真結(jié)果表明該電路的最終輸出電壓相比標(biāo)準(zhǔn)能量采集(standard energy harvesting，SEH)電路提高了1.11倍；實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，采用該電路后輸出電壓穩(wěn)定在5 V，最大輸出功率為15 mW，比SEH電路提高2.12倍，能量傳輸與利用效率顯著提高。

多路并行；標(biāo)準(zhǔn)能量采集電路；電壓調(diào)整電路

隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]及新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]的飛速發(fā)展，其應(yīng)用逐步擴(kuò)展到工況監(jiān)測(cè)、野外環(huán)境監(jiān)測(cè)、健康醫(yī)療以及家居生活等多個(gè)領(lǐng)域，但在野外、強(qiáng)震、高噪等惡劣環(huán)境中，為無(wú)線傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備供電卻成為制約其廣泛應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。在此環(huán)境中，傳統(tǒng)的供電方式存在各種各樣的問(wèn)題，如有線架設(shè)成本高、維修困難；化學(xué)電池壽命有限、污染環(huán)境；核電池存在輻射污染因素等等。因此利用環(huán)境能量為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等便攜式低功率電子設(shè)備提供實(shí)時(shí)電能供給的研究日益受到人們的重視[3]。然而，從環(huán)境中所采集到的電能普遍具有交變、小電流[4]等特征而不能直接提供給負(fù)載。因此，與環(huán)境能量采集器相匹配的高效、穩(wěn)定能量采集電路研究逐步成為環(huán)境能量采集領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

Guyomar等[5]最早提出的標(biāo)準(zhǔn)能量采集(standard energy harvesting，SEH)電路可以實(shí)現(xiàn)基本的微小能量采集，但只有在電路滿(mǎn)足負(fù)載匹配時(shí)才有最大功率輸出，而且能量捕獲效率較低。為了提高電路的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化效率，Lefeuvre等[6]提出了非線性能量采集電路，包括同步電荷提取技術(shù)(synchronous electric charge extraction，SECH)和串、并聯(lián)電感同步開(kāi)關(guān)采集(synchronized switch harvesting on inductor，SSHI)技術(shù)。與SEH電路相比，以上非線性電路在能量采集效率方面有所提高，然而多數(shù)電路的實(shí)現(xiàn)需要額外增加驅(qū)動(dòng)電源。Lallart等[7]又采用雙同步開(kāi)關(guān)采集(double synchronized switch harvesting，DSSH)電路，能量采集效率提高了500%，但是此電路不是一種自適應(yīng)電路，需要較復(fù)雜的信號(hào)檢測(cè)與控制電路。目前，國(guó)內(nèi)許多課題組也在進(jìn)行能量采集電路方面的研究，上海交通大學(xué)的唐剛[8]提出了一種倍壓整流及電容充電電路，能量采集器的輸出電壓經(jīng)倍壓整流后對(duì)電容進(jìn)行充電，使得輸出電壓有所提高，但是由于倍壓電路使用的肖特基二極管有開(kāi)通電壓，整個(gè)電路的效率值沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。中南大學(xué)彭敏強(qiáng)[9]針對(duì)微小型壓電式振動(dòng)設(shè)計(jì)出了一種功率調(diào)理電路，由同步電荷轉(zhuǎn)移模塊、電荷匯集模塊、可控電壓轉(zhuǎn)換模塊以及存儲(chǔ)模塊四個(gè)部分組成，完成了對(duì)微小能量的存儲(chǔ)與利用，但在能量傳輸與轉(zhuǎn)化效率方面沒(méi)有顯著提高，且沒(méi)有實(shí)際供給負(fù)載。

綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)于單路能量采集電路研究已較為成熟，但單路能量采集器電路轉(zhuǎn)換效率不高，且電路的抗干擾能力和穩(wěn)定性較差。基于此，本文提出了一種多路并行可調(diào)諧能量采集電路，通過(guò)將多路并行能量采集源并聯(lián)輸出，再加以全橋整流、電容存儲(chǔ)及電壓調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的大功率、穩(wěn)定輸出。

1 電路設(shè)計(jì)思想

圖1為傳統(tǒng)的SEH電路和多路并行可調(diào)諧能量采集電路的設(shè)計(jì)框圖。傳統(tǒng)的SEH電路由能量采集源、整流橋、濾波電容和負(fù)載組成，如圖1(a)所示。多路并行可調(diào)諧能量采集電路包括能量采集源模塊、全橋整流模塊、電容存儲(chǔ)模塊、電壓調(diào)整模塊和負(fù)載模塊等五部分，如圖1(b)所示。其中，能量采集源模塊由n個(gè)能量采集源組成，每個(gè)能量采集源模塊之間的連接方式是并聯(lián)，并聯(lián)后電路的等效電阻變小，輸出電流增大；全橋整流模塊是將正負(fù)交替的正弦交流電壓整流為單向脈動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)AC-DC的轉(zhuǎn)變；電容存儲(chǔ)模塊主要是將每次采集到的微小能量利用超級(jí)電容存儲(chǔ)起來(lái)，而且超級(jí)電容還有濾波作用；電壓調(diào)整模塊主要是將存儲(chǔ)后的電壓進(jìn)行調(diào)整提供給特定的負(fù)載；負(fù)載模塊一般為微型傳感器和MEMS等低功耗微納電子設(shè)備。

圖1 傳統(tǒng)的SEH電路原理框圖(a)及多路并行可調(diào)諧能量采集電路原理框圖(b)

2 電路實(shí)現(xiàn)

2.1 電路工作原理

根據(jù)多路并行可調(diào)諧能量采集電路的基本設(shè)計(jì)思想，具體實(shí)施電路如圖2(a)所示。能量采集部分包括3個(gè)能量采集源，模擬放置在不同位置的能量采集器，將不同采集點(diǎn)的能量轉(zhuǎn)換為電能，此時(shí)電路的總輸出電流為I=I1+I2+I3，是3個(gè)能量采集源并聯(lián)后的輸出電流總和。全橋整流部分中的整流電路對(duì)每個(gè)能量采集源所采集的交流電進(jìn)行整流，將交流電變?yōu)橹绷麟姡缓竺柯凡杉降哪芰肯嗷ゲ⒙?lián)，整個(gè)電路的等效電阻變小，輸出電流變大，每個(gè)整流橋之后都連接著一個(gè)二極管，防止由于每個(gè)能量采集源采集到的電壓不同而出現(xiàn)電流逆流的現(xiàn)象，確保電路的穩(wěn)定性。C1為超級(jí)電容，可以將每次采集到的微小能量存儲(chǔ)起來(lái)，能量利用效率得到提高。電壓調(diào)整部分利用運(yùn)算放大器OP作為滯回比較器來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管Q1的打開(kāi)與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)電感L1的充電與放電，二極管SD防止后面負(fù)載的波動(dòng)對(duì)前端電路的影響，電容C2和電阻R8主要起濾波作用，穩(wěn)壓二極管DZ起到穩(wěn)定負(fù)載兩端電壓的作用，使得整個(gè)電路工作更可靠；負(fù)載部分選擇發(fā)光二極管、小型傳感器等一些低功耗微納電子器件。

圖2(b)為傳統(tǒng)SEH電路原理圖，其輸出電壓(VR)取決于整個(gè)電路的負(fù)載電阻，一般只有R為最佳負(fù)載時(shí)，才有最大的功率輸出。

圖2 多路并行可調(diào)諧能量采集電路原理圖(a)及SEH電路原理圖(b)

2.2 仿真結(jié)果分析

為優(yōu)化電路參數(shù)，本文采用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真。仿真時(shí)能量采集源的電壓為Z(t)=sinst，峰峰值為30 V，頻率為50 Hz。

仿真過(guò)程中通過(guò)對(duì)二極管、電阻、電感和電容的參數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)，系統(tǒng)電路得以穩(wěn)定輸出，優(yōu)化后輸出曲線如圖3所示。其中，A曲線為多路并行可調(diào)諧能量采集電路的輸出電壓波形，曲線呈現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng)，電壓為(15.2±0.2)V。曲線B是SEH電路在選擇最佳負(fù)載40 kΩ的條件下得出的輸出電壓波形，電壓波動(dòng)較小，基本穩(wěn)定在7.2 V。圖3中右下角插圖是SEH電路負(fù)載隨電壓的變化曲線，圖中可以看出最匹配的負(fù)載為40 kΩ，輸出電壓為7.2 V，此時(shí)電路輸出功率最大。對(duì)比圖3中的A、B兩條曲線，可以發(fā)現(xiàn)多路并行可調(diào)諧能量采集電路的輸出電壓是SEH電路的2.11倍。

圖3 兩種電路輸出電壓波形及SEH電路負(fù)載隨電壓變化曲線

3 實(shí)際電路性能測(cè)試

3.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

測(cè)試平臺(tái)搭建如圖4(a)所示。在實(shí)際搭建的電路中，采用三個(gè)并聯(lián)的壓電陶瓷片(尺寸為60 mm×30 mm×0.3 mm)，模擬多路并行能量采集電路中的振動(dòng)能量采集源；采用HXN-Xh芯片(同步升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，開(kāi)啟電壓為0.9 V，輸入電壓范圍為0.6～4.4 V，輸出電壓在2.5～5 V范圍內(nèi)可調(diào))替代電壓調(diào)整電路，方便電路調(diào)試和性能測(cè)試。

測(cè)試時(shí)，激振器加速度2.28 m/s2，工作頻率為38 Hz(此時(shí)振動(dòng)能量采集源具有最大電壓輸出)。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

電壓調(diào)整電路如圖4(b)所示，用示波器測(cè)試電路的最終輸出電壓為5 V，輸出功率為15 mW。此處由于壓電陶瓷片產(chǎn)生的是高電壓小電流，只有輸入電壓達(dá)到1.7 V時(shí)，HXN-Xh芯片方可進(jìn)行正常工作。無(wú)論每次采集的電量多么微小，都可以將其儲(chǔ)存在超級(jí)電容里，避免能量的浪費(fèi)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得輸出電壓為5 V，該結(jié)果是仿真輸出電壓的0.33倍，這主要有兩方面原因：一方面是該壓電能量采集源與仿真軟件里面給出的模擬電壓源有所不同，由于壓電陶瓷片產(chǎn)生的電壓高達(dá)十幾伏，而電流低至微安級(jí)，因此導(dǎo)致電流過(guò)小而不能驅(qū)動(dòng)電路工作，只有當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，功率相應(yīng)提高，此時(shí)才能驅(qū)動(dòng)整個(gè)電路工作；另一方面是因?yàn)榉抡孳浖械脑骷咎幱诶硐霠顟B(tài)，電能沒(méi)有損耗。

SEH電路的輸出功率曲線隨負(fù)載變化呈正態(tài)分布[如圖4 (c)]，且收集的最大功率與負(fù)載電阻有關(guān)。當(dāng)負(fù)載選取20 kΩ時(shí)，電路最大的輸出功率為4.8 mW。三并行多路可調(diào)諧壓電陶瓷片換能電路的輸出功率曲線如圖4(c)所示，其輸出功率為15 mW，是SEH電路最大輸出功率的3.12倍，輸出效率得到顯著提高。另外，該電路輸出功率曲線接近一條直線，隨負(fù)載變化波動(dòng)極小，與標(biāo)準(zhǔn)SEH電路相比，電路輸出穩(wěn)定性得到極大提高。

圖4 測(cè)試平臺(tái)搭建及測(cè)試結(jié)果

4 總結(jié)

本文基于能量采集電路提出了一種并行多路可調(diào)諧電路的設(shè)計(jì)方法，該電路可以對(duì)多路能量同時(shí)進(jìn)行采集且并聯(lián)輸出，再通過(guò)全橋整流、電容存儲(chǔ)及電壓調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的大功率、穩(wěn)定輸出。實(shí)驗(yàn)搭建的并行多路可調(diào)諧能量采集電路通過(guò)升壓芯片的調(diào)節(jié)使得輸出電壓穩(wěn)定在5 V，功率為15 mW。與SEH電路的最大輸出功率相比，其輸出功率增大了212%，并行多路可調(diào)諧能量采集電路的能量傳輸與轉(zhuǎn)化效率以及穩(wěn)定性都明顯提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該電路的可行性。

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Design and implementation of tunable energy harvesting circuit with parallel channels

LUO Cui-xian,WANG Yan-fen,LI Peng-wei,HU Jie,ZHANG Xue-ying
(Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System(Ministry of Education),Micro and Nano System Research Center, College of Information Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024,China)

To overcome the shortcoming of the lower output power of traditional energy harvesting devices and a single energy harvesting cell not enough to directly drive loads like sensor nodes,a tunable energy harvesting circuit with parallel channels was proposed. The new circuit contained energy harvesting source module, a full-bridge rectifier module,capacitance storage module,voltage regulator module and load module.Simulation results by using Multisim software show that the output voltage of the circuit is 1.11 times greater than that of the SEH circuit.The experimental results prove that the output voltage of the circuit is 5 V and the maximum output power is 15 mW, increasing by 2.12 times than that of the SEH circuit. The efficiency of energy transmission and utilization is improved.

parallel channels;standard energy harvesting circuit;voltage regulator circuit

TM 13

A

1002-087 X(2015)08-1748-03

2015-01-22

國(guó)家自然科學(xué)基金(51205176，51205275)；國(guó)家博士后科學(xué)基金(20110491629，2013T60268)；山西省青年科學(xué)基金(20120-21021-5，2013021017-1)；山西省科技重大專(zhuān)項(xiàng)(20121101004)；山西省高等學(xué)校特色重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(晉教財(cái)[2012]45號(hào))

羅翠線(1990—)，女，陜西省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒛茉础㈦娐放c系統(tǒng)。