增強型雙中間電容壓電能量回收電路的優化設計

丁曉亮 沈輝 曲鵬超

摘要：為提高壓電振動能量回收系統接口電路的回收功率，設計了一種增強型雙中間電容能量回收（E-DICH）接口電路并優化了開關的控制電路和控制策略。建立了E-DICH的電路仿真模型，通過等效電路建模的分析方法推導了E-DICH的回收功率表達式;利用Multisim仿真軟件對該電路進行建模與仿真得到E-DICH的回收功率;通過實驗驗證了仿真的正確性。研究結果表明，E-DICH的回收功率與負載無關，其最大回收功率約為SEH電路的6倍和SECE電路的2倍。

關鍵詞：振動能量回收;壓電效應;E-DICH

中圖分類號：TM619，TN384

文獻標志碼：A

文章編號：1006-1037（2021）01-0054-05

基金項目：

山東省自然科學基金（批準號：ZR2017MEE039）資助。

通信作者：沈輝，男，博士，副教授，主要研究方向為測控技術與智能儀器。E-mail：shenhui@qdu.edu.cn

隨著微電子、無線網絡和微機電系統（MEMS）等低耗能產品的應用日益廣泛，以化學電池為其主要供能方式存在著諸多弊端[1]，化學電池存在使用壽命有限、需要定期更換和對環境存在污染等問題[2]。從環境中直接獲取能量是解決這些問題的有效方式，目前振動能量回收的方式主要有電磁式[3]、靜電式[4]和壓電式[5]，相較于另外兩種方式，壓電式具有易于實現微型化和能量密度高等優點，因此受到廣泛關注[6]。接口電路作為壓電振動能量回收系統的關鍵組成部分之一，對提高系統的能量回收效率有至關重要的作用。Kim等[7]提出使用全橋整流橋和濾波電容組成的標準能量回收（SEH）電路，SEH電路結構簡單易于實現，但能量回收效率較低，并且回收功率受負載影響較大[8]。為了解決這些問題，Lefeuvre等[9]提出了同步電荷提取（SECE）電路，解決了回收功率受負載影響的問題。Shi等[10]在SECE電路的基礎上提出了一種自供電的同步電荷提取電路（SP-ESECE），該電路取消了整流橋，采用兩個極值檢測電路和兩個MOSFET實現開關控制，減小了能量損耗。Taylor等[11]提出了串聯電感同步開關（S-SSHI）電路，增加了LC振蕩電路部分，提高了壓電元件的電壓輸出，從而提高了電路的能量回收功率。Guyomar等[12]提出了類似的P-SSHI電路，S-SSHI和P-SSHI雖然獲得了較大的回收功率，但是依然存在需要進行負載匹配的問題。基于同步開關電感的優勢，不斷優化SSHI電路[13]。Liang等[14]對多種電路進行分析后，提出了一種并聯同步三次偏轉接口電路（P-S3BF），由6個MOSFET組成電流驅動網絡，通過執行Bias-Flip動作獲得最大回收功率。在對P-SSHI和S-SSHI電路分析之后， Hsieh等[15]通過阻抗匹配原理，引入了相位延遲的開關電感電路，提出S-SSHI-φ和P-SSHI-φ兩種電路拓頻方法。通過實現不同頻率下的阻抗匹配，提高了同步開關電路的提取帶寬，回收功率也提高了66%。張寶強等[16]設計了一種雙中間電容回收（DICH）電路，電路利用2個LC振蕩電路、一個Buck-Boost轉換器和2個中間電容組成。經過理論分析與實驗驗證，在恒定激振位移條件下，雙中間電容回收電路的回收功率與負載無關，其回收功率是同步電荷提取電路的2倍。徐圣[17]針對目前能量回收接口電路采集效率低、需要負載匹配等缺點，提出了一種并行雙中間電容器采集（P-DICH）電路。在此基礎上，為減少開關的數量，本文設計了一種增強型雙中間電容能量回收（E-DICH）電路，該電路使用兩個二極管來代替之前的兩個開關[17]，并設計了一種新的開關控制電路和開關控制策略，E-DICH簡化了開關控制電路的復雜度優化了開關控制策略，并提高了電路的最大回收功率。

1 增強型雙中間電容器能量采集（E-DICH）電路

E-DICH電路使用兩個二極管D1和D2來代替電路前端的兩個開關，以減少電路中的開關數量，使控制電路更加簡單，如圖1所示。相較于之前的開關控制模塊，E-DICH電路中去掉了激光位移傳感器和單片機部分。

L1C0C1振蕩電路由壓電元件受夾電容C0、電感器L1、同步開關S1、二極管D1和中間電容器C1組成;L1C0C2振蕩電路部分由壓電元件受夾電容C0、電感器L1、同步開關S1、二極管D2和中間電容器C2組成。Buck-Boost電路由開關S2、電感L2、二極管D3和濾波電容器Cr組成，R為負載電阻。經過理論推導，得到E-DICH電路的最大能量回收功率

PMAX=4ωC0π×γ431-γ23-γ2αUMC0-VD2η（1）

其中，Pmax為最大回收功率，UM為振動位移幅值，ω為角頻率，α為力因子，VD為單二極管壓降，γ為電路電壓翻轉系數，η為Buck-Boost電路效率。

在不考慮整流橋功率損失的情況下，通過Matlab數值計算得到SEH、SECE、P-SSHI、S-SSHI和E-DICH電路的回收功率，如圖2所示。E-DICH電路參數如表1所示。

2 懸臂梁振動能量回收開關控制電路

懸臂梁振動能量回收結構模型如圖3所示。壓電元件PZT2與E-DICH電路連接，壓電元件PZT1作為位移傳感器與開關控制電路連接。開關控制電路由信號調理電路、極值檢測電路和開關電路組成，如圖4所示。信號調理電路由分壓電路和電壓跟隨器組成。通過調節R4和R5的阻值實現不同比例分壓，通過電壓跟隨器U1A實現阻抗轉換。

PZT1上的電壓信號被分為兩個通道同步輸出，一路接入到超低功耗電壓比較器U4的反相輸入端，另一路通過RC無源低通濾波器接入到電壓比較器U4的同相輸入端。由于兩個信號之間存在相位差，在位移極值的瞬間，電壓比較器被觸發，其輸出電壓翻轉。此外，反相器U5將電壓比較器U4的輸出反相。在開關控制電路中，R6是一個電位器。因此，通過改變電阻值R6可以很容易地調節兩路信號的相位差。電壓比較器U4的同相輸入端波形、反相輸入端波形和輸出波形如圖5所示，極值檢測電路的信號輸出如圖6所示。

3 E-DICHD電路仿真

振動能量回收電路與PZT2連接，開關控制電路與PZT1連接。E-DICH仿真電路如圖7所示。

負載直流電壓Vdc和壓電元件電壓VC0可以通過示波器觀察到，如圖8所示。瓦特表測量的電路最大回收功率為462.8μW。

4 實驗與結果分析

懸臂梁實驗裝置如圖9所示。懸臂梁的一端固定，另一端自由，兩個壓電片元件粘貼在懸臂梁的固定端根部上表面。懸臂梁的自由端下表面吸附放置一根圓柱形磁棒，線圈分布在磁棒的周圍。信號發生器產生頻率和幅值恒定的信號驅動懸臂梁振動。實驗裝置參數如表2所示。

分別對SEH、SECE、P-SSHI、S-SSHI和E-DICH五種電路進行實驗，得到五種壓電振動能量回收電路在不同負載電阻值下的輸出功率，結果如圖10所示。

SEH、SECE、P-SSHI、S-SSHI和E-DICH電路的實驗能量回收功率小于理論結果。這是因為理論計算假設輸出電壓保持不變，不考慮整流橋的損耗。在實驗中，整流橋的導通壓降和負載輸出電壓的波動導致了實驗誤差的產生。同時，由于受系統阻尼的影響，輸出功率曲線不是一條直線。最終實驗結果表明，E-DICH電路的能量回收功率不受負載電阻的影響，其能量回收功率約為SECE電路的1.9倍，SEH電路的5.4倍，與理論結果一致。

5 結論

本文設計了一種增強型雙中間電容能量回收電路，通過Multisim電路建模仿真和實驗，驗證了E-DICH的可行性。E-DICH具有更高的能量回收功率和更為簡化的開關控制電路，減小了電路的體積。仿真和實驗結果表明，在等位移幅值激振的條件下，E-DICH的能量最大回收功率相較于SEH提高了440%，相較于SECE提高了90%。同時，E-DICH的回收功率不受負載的影響。

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