具有電路狀態控制的低功耗壓電能量采集電路設計＊

李許軍，姜毅龍

（甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741001）

在自然環境中大多數機械能具有不連續和隨機不可控性，利用壓電能量采集器可以將機械能轉化為電能，但電能轉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產生電能，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，利用汽車輪胎碾壓路面上壓電能量轉換裝置，將械能轉換為電能[2]；2017年，有學者設計了一種水流壓電能量采集系統，通過水流產生的機械能轉換為電能[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，系統可以實現阻抗匹配，提高了采集效率，穩定的輸出5V電壓[4]；2018年有學者設計了一種移動車輛作用橋梁系統的振動能量俘獲的模型，實驗表明該系統能有效地收集橋梁系統的振動能量[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境能量較低時控制采集電路的工作狀態來降低功耗。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設計

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

圖1 壓電能量采集器系統框圖

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，就能實現壓電能量轉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，能夠實現壓電能量轉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（1）式，得到開關信號占空比。

在非連續隨機壓電能量輸入Buck-boost型DC-DC開關變換器工作狀態下，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，為了實現對占空比D和周期Ts的調節，可以通過調節電阻R1、R2或電容CC大小達到。

圖3 振蕩器電路

1．4 電路工作狀態控制電路

電路工作狀態控制電路由圖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換電路工作狀態。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，當外接機械能觸發壓電元件PZT將其轉換為電能時，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經反相器 A3輸出驅動信號 VA3，MOSFET開關管M1導通，壓電電能轉換電路進入正常工作狀態，向外部開始供電。反之，當PZT產生的電能太小時，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，能量采集電路處于停止工作狀態，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，實現系統的自供電。

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（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生電能，利用信號發生器的輸出方波控制電動機轉速和轉向，模擬外界隨機機械能。實驗以電機帶動敲擊棒連續敲擊2次壓電材料，檢測壓電能量采集系統的采集電能情況，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，持續約100ms到達最大值，又開始減小，持續約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，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。因此，當非連續隨機壓電能量采集器中加入工作狀態控制電路后，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，提高了系統壓電能量采集效率。

3 結論

在非連續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速帶動敲擊棒敲擊壓電片后，具有電路狀態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點，代替電池給無線傳感器節點等設備供電，實現系統自供電。