自供电的压电振动能与温差热电能融合采集电路设计

环境能量俘获中压电振动能和温差热电能的俘获电路设计已成为近几年研究的热点之一。但由于存在压电换能器和热电换能器输出的能量分别是交、直流形式而难以同时俘获,且热电换能器的开路电压通常要低于三极管的阈值电压而需要借助外部电源供电等问题,本文提出了一种自供电的混合式同步电荷提取HSP-SECE(Hybrid Self-Powered Synchronous Electric Charge Extraction)电路。所提出的HSP-SECE电路,通过压电电压峰值的检测,在其达到峰值时进行压电振动能和温差热电能的同步提取,实现两种能量的融合采集。仿真和实验测试表明,所提出的电路可以有效实现温差热电能和压电振动能的同步采集,与现有的电路相比,在俘获效率、自供电和负载相关性等方面,具有较为明显的优势和特色。

基于串联同步开关电感的高效压电能俘获电路设计

提出了一种高效的自供电串联同步开关电感(ESPS-SSHI)电路,ESPS-SSHI电路通过简化无源的正/负峰值检测电路来检测压电元件开路电压的正、负极值,不但降低了电路的能耗,而且减少了压电元件达到峰值时与开关动作时刻的相位差,从而提高了能量提取的效率。LTspice仿真和实验验证表明:设计的电路最大输出功率可提高至标准能量俘获(SEH)电路的4. 5倍。

基于同步翻转电荷提取的多压电能量俘获电路

针对多压电能量俘获问题,提出了一种可拓展的自供电同步翻转电荷提取(Extensible Self-Powered Synchronous Inversion and Charge Extraction Circuit,ESP-SICE)接口电路。所提出的接口具有自供电、无整流桥设计的特点。电路通过同步电压翻转提高开路电压,通过同步电荷提取可在任意相位差下从多个压电换能器俘获能量而不仅限于时分复用的方式。仿真和实验结果表明,ESP-SICE电路单个压电能量的提取效率可达全桥整流电路最大功率的4.2倍。

单电感双源能量协同俘获电路设计

多源环境能量俘获正成为环境能量俘获的研究热点。室内存在各种光能和温差热能,通过光电池和温差热电片换能后可获得直流电,但温差热电能在通常情况下因开路电压低而难以俘获,单一的室内光能因能量密度较低也难于俘获。本文提出了基于单电感的室内光能和温差热电能的双能源协同俘获电路(Dual-source energy Cooperative Harvesting Circuit,DCHC)设计。所提出的DCHC电路,可以在一个电感充放电周期内对光能和热能进行同时俘获,提高能量俘获总量。此外,热能的引入对光能的俘获起到了协同的作用,可以有效提升光能的俘获效率,结果表明,光能俘获峰值效率最高可达86%。

基于同步电荷提取的高效多压电能俘获电路设计

本文提出了一种基于同步电荷提取的高效多压电能俘获电路(High Efficiency Multi-piezoelectric Energy Harvesting Circuit Based on Synchronous Electric Charge Extraction,EM-SECE).所提出的电路利用改进的正负峰值检测结构,减小了压电元件(Piezoelectric Transducer,PZT)达到电压峰值处和开关动作之间的相位差,从而提高了单个压电元件的能量收集效率.并且利用单电感的时分复用,实现基于单电感的多个压电元件振动能俘获.所提出电路具有无整流桥结构,且可以实现自供电的特点.实验结果表明,相同实验条件下,单压电EM-SECE电路的俘获功率为标准能量俘获电路(SEH)最大功率的3.09倍;在仅用一个电感的情况下,双压电EM-SECE电路的俘获功率为两个单压电EMSECE电路之和的97%.

基于FNOV-MPPT的多压电输入无整流桥的能量采集电路的研究

环境能量俘获中压电振动能量采集的接口电路设计已成为近几年研究的热点之一。串联同步开关电感(Series Synchronous Switch Harvesting on Inductor,S-SSHI)接口电路是一种常用的能量采集接口电路。只有当负载阻抗与压电元件(Piezoelectric Energy,PZT)输出阻抗匹配时,才能获得最大能量转换效率。针对以上问题,提出了一种无分时开路电压法的最大功率跟踪(Fractional Normal-Operation Voltage Maximum Power Point Tracking,FNOV-MPPT)控制电路用于S-SSHI接口电路的最大功率跟踪,与传统的分时开路电压法相比,无需断开PZT与负载端的连接,在S-SSHI接口电路正常工作期间进行最大功率跟踪,其效率最高可达97%。采用的极值检测电路只用四个三极管和一个检测电容,降低了电路功耗。同时本文所提出的电路具有很好的扩展性,可以通过一个FNOV-MPPT控制电路的方式进行多PZT能量同时采集。

自供电的同步翻转与电荷提取电路设计

同步翻转和电荷提取(Synchronous Inversion and Charge Extraction,SICE)电路是低耦合压电系统中最为有效的接口电路之一。提出了一种自供电的同步翻转与电荷提取(Self-Powered Synchronous Inversion and Charge Extraction,SP-SICE)电路。所提出的接口电路使用一个正/负峰值检测模块,具有共享电感、自供电和无整流桥等特点。当压电元件电压达到正峰值时,翻转电压;当压电元件电压达到负峰值时,提取能量。LTspice仿真和实验结果都表明SP-SICE电路的有效性,并且其输出功率可以达到SECE电路最大输出功率的1.9倍。

基于S-SSHI和SECE混合的压电阵列能量俘获电路设计

串联同步开关电感(Series Synchronous Switch Harvesting on Inductor,S-SSHI)电路输出功率高整流电压范围窄,而同步电荷提取(Synchronous Electric Charge Extraction,SECE)电路则输出功率低整流电压范围宽。提出了一种基于S-SSHI和SECE混合的压电阵列能量俘获接口电路,以实现整流器峰值输出功率和最佳整流电压范围之间的平衡。所提出的电路去除了整流桥结构,而采用简单的无源峰值检测器设计,且可以在任意相位差(0~2π)下从多个压电换能器中提取能量。仿真和实验结果表明,所提出的电路具有较高的输出功率和较宽的整流电压范围,与多输入全桥整流器相比,最大输出功率提升了3.04倍。