偏置翻转压电馈能电路及其能量循环分析

无线传感器网络和物联网技术的发展使得分布式设备供电成为目前电子设计领域的一大研究热点。基于压电效应的能量收集技术已逐渐成为该领域的一种重要解决方案。在压电馈能电路中,基于偏置翻转的拓扑结构能够显著提升能量收集能力,代表了该领域最前沿的发展方向。本文基于偏置翻转的一般理论,提出了一种面向应用的、可拓展的同步开关电路,并通过电容复用、级联开关等方案有效减小电路损耗。此外,本文也对压电馈能系统的能量循环状态做一分析,明确这一换能过程中的能量流动情况。

自供电压电电磁混合能量俘获电路

在能量俘获电路设计中,采用混合能量俘获可提高电路输出功率和可靠性,但存在需要外加电源、控制电路复杂等问题。针对压电和电磁能俘获,在基于同步翻转电荷提取的结构基础上,提出了自供电压电电磁混合能量俘获电路(Dual Source-Synchronous Inversion and Charge Extraction,DS-SICE)。电路工作原理如下:在振动的正半周期,压电电压达到峰值时,利用电磁能作为辅助对压电片上的电压进行翻转;在振动的负半周期,采用同步电荷提取结构(Synchronous Electric Charge Extraction,SECE),提取压电片和电磁发电机的能量。所提出的DS-SICE电路在增加输出功率的同时,减少了负载依赖性,实现了两种能量源的协同作用。仿真和实验测试结果表明,所提出的电路可以实现压电振动能和电磁能的同步采集。较之于标准能量俘获电路最大输出功率,电路的效率提高2.7倍,并且降低了对负载的依赖性。