基于同步电荷提取和翻转的可扩展异质能量俘获电路

为了提供更加稳定可靠的能量,针对异质能的混合能量俘获问题,提出了一种基于同步电荷提取和翻转的可扩展异质能量俘获(Extensible Synchronous Charge Extraction and Inversion for Heterogeneous Energy Harvesting,EH-SCEI)电路。所提出的EH-SCEI电路,利用无源的峰值检测电路和RC微分电路在压电电压峰值时实现异质能源同步提取,并提出将部分电荷提取到储能端而另一部分电荷进行翻转以提高俘能效率的方法。仿真和实验结果均表明,所提出的电路可以对多个具有任意相位差的压电换能器进行能量采集并可根据实际的应用场景进行扩展;与现有电路相比,在输入输出范围、负载相关性、俘获效率等性能上,均有较大改善。

大负载高功率振动能量收集同步整流方法

针对振动能量收集电路整流二极管损耗大、非线性电路控制复杂以及优化负载不高的问题,提出了大负载高功率振动能量收集同步整流与电荷提取方法。通过同步电感翻转电压提高整流电压,采用短时能量提取缩短整流器件导通时间,减小能量损耗,实现高功率能量收集。基于压电等效模型设计了自供电同步整流与电荷提取电路(self-powered synchronous rectification and electric charge extraction,简称SP-SREE),对一个振动周期电路各工作阶段进行分析,推导出SP-SREE电路理论收集功率,并对电路进行功能测试和负载功率特性测试。理论分析与实验对比表明,所提出的方法在大负载下具有更高的收集功率,可为机械振动无线传感器网络等能源受限场景下自供电提供重要参考。

基于同步电荷提取的自供能压电能量接口电路分析

压电材料作为一种重要的机电换能器,它可以将物体机械振动产生的机械能转换为电能,为微型无线传感器装置的供电问题提供了解决方案。压电能量收集系统中不同接口电路的动态特征和收集能力是不一样的。同步电荷提取接口电路因为其独特的特性成为被学者广泛研究的接口电路之一,即在理想条件下它的输出功率独立于负载。此外,通过引入自供电的功能,将会使得同步电荷提取电路更适用于独立的微型传感器节点。本文提出了一种改进型的自供能同步电荷提取电路,主要由峰值检测器,比较器和数字开关控制单元组成。同时本文提供了一种阻抗分析的方法对实际环境下的自供能同步电荷提取接口电路的动态特性进行了衡量。分析和实验都表明在实际工作条件下,自供能同步电荷提取电路的输出功率并不是完全的独立于负载或者输出直流电压。最大收集功率点依然如其他接口电路一样存在于自供能同步电荷提取电路中,实际的实验结果与理论的分析是吻合的。

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。

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。

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%.

基于同步电荷提取的压电能量俘获电路设计

利用压电振动能量收集技术具有的力-电耦合效应高,无电磁干扰,机构简单等特点,该文提出了一种对称式自供电同步电荷提取电路(SSP-SECE),使用互补三极管实现同步开关控制,通过导向二极管与检测电容可实现峰值自检测。使用Multisim软件建模仿真测试了电路方案的合理性,实验验证了电路的有效性。实验结果表明,采用优化设计的SSP-SECE接口电路使负载电阻功率比标准能量采集电路高约4.23倍,相对于SECE电路整体提升了23.02%。

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。

多压电输入无相位滞后的同步电荷提取电路研究

当前,大多数压电能量采集电路是针对于单压电元件(PZT)输入的。实际应用中,为获得更多能量,压电俘能器(PEH)往往配备有多压电片输出,如何对多输入PEH的电荷进行高效提取已经成为研究热点。本文提出了一种无相位滞后的高效多输入同步电荷提取电路MI-SECE(Multi-Input Synchronous Electric Charge Extraction circuit),主要由整流桥、峰值检测电路、电压过零检测电路、传输控制电路和Buck-Boost电路组成。通过有源峰值检测电路和电压过零检测电路,MI-SECE可准确捕捉压电元件电压达到峰值的时间,并减小其与开关动作时间的相位差,从而提高能量提取效率。实验验证表明:MI-SECE电路能够显著提高能量采集效率,能量采集效率高达90.01%,并且可以同时从多个PZT中提取能量。

自供电式同步翻转电荷提取电路的优化设计

目的解决现有接口电路俘能效率低、开关控制电路模块结构复杂等问题。方法基于电压翻转及电荷提取技术,提出一种自供电式同步翻转电荷提取的压电能量俘获电路(Self-Powered Optimized Synchronous Inversion and Charge Extraction Circuit,SP-OSICE)。该电路设计了2个电压峰值检测电路,检测压电换能器两端电压峰值,并在正峰值处进行一次电压翻转,然后在负峰值处采用同步电荷提取方法,提取压电换能器寄生电容上储存的电荷,提高能量的收集效率。结果在低负载区,SP-OSICE电路的输出功率略低于SICE电路的输出功率,随着负载电压的增大,SP-OSICE电路的输出功率略高于SICE电路,且可达到全桥整流电路最大输出功率的6倍以上。结论SP-OSICE电路优化了SICE电路中的开关控制策略,无需整流桥结构,提高了接口电路的输出功率。整体电路采用自供电设计,无需外部辅助电路控制晶体管通断,降低了电路结构的复杂性。仿真和实验结果均验证了SP-OSICE电路的优势。

基于压电发电的同步电荷采集电路仿真

介绍了压电发电装置的理论及同步电荷提取技术,并使用PSIM软件进行电路仿真,分别对同步电荷提取电路及标准能量采集电路仿真,验证了理论分析的正确性。

基于S-SSHI和SECE混合的自供电能量俘获电路

为解决现有压电能量俘获电路效率低、开关辅助电路结构复杂且能耗高等问题,基于串联同步开关电感(Series Synchronized Switch Harvesting on Inductor,S-SSHI)电路输出功率峰值高和同步电荷提取(Synchronous Electric Charge Extraction,SECE)电路负载范围宽的优点,提出一种具有自供电功能的能量俘获电路。为实现SSSHI电路和SECE电路混合,基于二者开关动作均在压电元件开路电压的极值点,提出了正极值点电压翻转、负极值点电荷提取的策略;设计了两个非对称无源正/负峰值检测电路检测正/负极值,使正/负半周期的工作模式分别为S-SSHI和SECE,从而达到输出功率和负载范围的平衡。通过仿真建模研究所提电路的可行性,验证了所提电路俘能性能优越,输出功率峰值可达SEH电路的4倍,同时具有较宽的负载范围。

压电能量采集器高效能量提取接口电路设计

压电能量采集器能把环境振动能转换为电能,该文基于如何将压电能量采集器转化电能最大化提取的研究,提出了一种压电能量采集器高效能量提取接口电路,采用有源二极管整流电路降低了整流过程中的导通压降损耗,电感同步开关电荷提取电路有效提取了寄生电容中储存的电能。利用华虹宏力0.11μm CMOS工艺进行电路设计和版图布局。测试结果表明,接口电路可提取80.4%寄生电容中存储的电能,20 kΩ电阻负载下导通压降为20.2 mV,在加速度5g(g=9.8 m/s^(2))和频率40 Hz条件下平均提取功率是标准接口电路的2.58倍。该芯片可应用于基于振动能供电的无线无源传感节点等领域。

基于SICE自供电式压电-电磁俘能电路设计

对SICE接口电路的回收功率进行理论分析和计算,并利用Multisim对SHE、SECE、P-SSHI、S-SSHI和SICE 5种接口电路进行仿真和比较。通过对5种电路的分析,文中提出了一种基于同步翻转电荷提取的压电-电磁俘能电路(Self-Powered SICE)。所提出的电路由压电俘能部分、电磁供能部分、运算放大器、整流滤波电路、开关控制电路和同步翻转电荷提取电路组成。电磁产生的能量为开关控制电路供能,避免了引入额外的电源对开关进行控制以达到自供能。Multisim仿真结果表明本文设计的SP-SICE电路的回收功率是SHE电路的3.7倍,相比SICE电路的回收功率有所下降,但实现了自供电和负载的自适应。

新型高压侧自供电电源设计与研究

分析了高压电场能量收集的原理,建立静电场耦合分布电容模型,并通过实验证明了模型的参考价值。随后,分析使用整流桥电路进行能量管理时的最佳功率点,并从增大超级电容充电电流的角度,设计了一种新型的管理电路,即同步电荷提取电路,以获得最佳的能量存储能力。结果证明存在一个最佳占空比使得收集的能量最大化,从而缩短无线节点在线监测工作周期。

无源压电振动发电机接口电路的改进

为了克服压电振动发电机接口电路中负载匹配及电路损耗问题,提出了一种改进的无源同步电荷提取电路。利用无源峰值检测开关电路及单端反激变换电路,使压电振动发动机中压电元件两端电压适时反向,从而输出与负载大小无关的恒定功率。使用Multisim进行电路仿真,仿真结果表明该无源同步电荷提取电路输出功率为1.83mW,且不存在最优负载问题。搭建了压电振动发电机实验平台,分别对无源同步电荷提取电路及经典电路进行发电性能测试,结果表明,无源同步电荷提取电路实际输出功率达到1.135mW,是经典电路实际输出功率0.381mW的2.98倍。

基于频率变换的压电俘能器接口电路设计

设计了一种可以减小匹配电感的双同步开关电感电路。建立了仿真模型,仿真结果表明该电路的能量采集的功率最大可达1.9 mW。与一般同步电荷提取电路相比,该电路可以使整体电路体积减小了2/3。将此电路应用于不同形状的压电片的振动能量俘获,发现振动频率和压电片的形状对该电路收集到的能量都有影响,当振动频率为40 Hz时,在矩形压电片上收集到的能量最多。

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。

基于耦合电感的压电能量采集电路设计与仿真

利用压电材料的环境振动能量收集技术具有能量密度大,无电磁干扰,较易收集的特点,该文提出一种自供电式压电振动能量采集电路,即基于耦合电感的同步电荷提取和电压翻转电路(SCET&VII),利用电子仿真软件LTspice对标准能量采集(SEH)电路、同步电荷提取(SECE)电路和SCET&VII进行仿真分析和对比。结果表明,在相同振动激励条件下,SCET&VII接口电路的负载取用功率是SEH的2.65倍、SECE的1.76倍,且功率输出不受负载影响,同时实现了能量收集中的开关动作能量自给。

压电能量收集接口电路的设计与仿真

为了给无线传感器网络节点提供稳定、高效且长期的能量供给,该文提出了一种基于增强型同步电荷提取电路的压电能量收集接口电路(ESECE)。利用Multisim电路仿真软件对增强型同步电荷提取电路进行仿真,并与标准压电能量收集接口电路(SHE)和同步电荷提取电路(SECE)进行对比分析。实验结果表明,在相同激励条件下,ESECE比SECE的输出功率提高了近30%,最大输出功率达到190μW,同时还保证了输出功率与负载电阻的无关性。