自供电式并联电感同步开关压电能量收集电路实现方法研究

针对并联电感同步开关(SSHI)压电能量收集电路在实际中不易实现,需要外接电源等问题,在通过ANSYS的谐响应分析和静态分析求解出压电能量收集器自由电容的基础上,设计一种由能量收集部分、同步开关控制电压生成部分和直流供电部分组成的自供电式SSHI电路:采用二阶R-C移向电路,过零比较器和异或门电路产生的输出电压来控制双向开关适时闭合,运用全桥整流(AC-DC)能量收集电路为所用的低功耗电子器件供电。通过实验成功实现了SSHI压电能量收集电路的功能,有效地提高了能量收集效率,为SSHI能量收集电路在实际中的应用提供一种新的、易于实现的方法。

并联电感同步开关压电能量采集电路研究

介绍了基于压电效应的标准能量采集电路,在此基础上设计了并联电感同步开关能量采集电路,通过理论分析和计算,建立了该电路的输出功率数学模型。通过ANSYS压电耦合分析及MULTISIM(电路仿真软件)电路仿真,得到并联电感同步开关能量采集电路比标准能量采集电路的输出电压高出1倍,输出功率高出400%。

一种无源同步开关压电能量收集电路研究

在压电能量收集接口电路中,并联开关同步电感电路在开关断开后电感上所剩余磁能并未得到有效利用。为了克服上述问题,提出一种改进的并联同步开关电感电路,以倍压整流电路取代并联同步开关电感电路中的全桥整流电路,一方面减少整流电路耗能,另一方面在开关过程中构建新的振荡回路,将电感上存储磁能转化成电能传递至负载。再利用无源峰值检测开关电路,降低开关控制电路耗能。仿真及实验结果表明,该电路输出功率为传统并联同步开关电感电路输出功率的130%、为经典电路输出功率的9.6倍。同时,该电路中开关电路耗能仅占所采集能量的12%,可以实现能量自给。

基于非位移检测的串联同步开关电感电路

在能量收集领域,传统的同步开关电感(SSHI)技术需要检测压电片的位移,无法应用于磁电层合材料能量收集器。针对这一问题,在考虑损耗项的磁电层合材料电气模型的基础上,依据振动同相原理和压电电压方程,提出一种利用辅助电极的开路电压信号来确定主电极等效电流源的过零时刻的方法,以电压检测代替传统的位移检测,实现了串联SSHI技术。实验结果表明,与相同条件下的标准能量收集电路(SEH)相比,最大收集功率提高了60%以上。

自供电同步开关电感阻尼电路功率特性分析

为了明确自供电式同步开关电感阻尼电路的功率特性,同时为优化开关控制电路提供理论依据,分析了该电路的阻抗特点及其输出功率随负载的变化关系,并研究了在不同激振强度下能量收集的效率。实验测试了压电悬臂梁尖端振幅为2mm及4mm时负载电路获得功率及悬臂梁振子输出的总功率。结果表明,在振幅为2mm时,负载获得的最大输出功率为38.6μW;在振幅为4mm时,最大功率187μW。在压电振子正常工作的振动强度范围内,激振强度越大,自供电式同步开关电感阻尼电路的能量收集效率越高。在200~800kΩ负载范围内,振幅为4mm时的效率比2mm时高10%左右。

新型同步机械开关提升压电能量收集效率及其在非线性系统下的特性分析

针对压电能量收集(PEH)技术中的自供电电感同步开关能量收集电路(SP-SSHI)有相当大的能量损失问题,对电感同步开关能量收集电路(SSHI)、采用电子开关的SP-SSHI(ESP-SSHI)电路以及位移极值检测传感器等方面进行了研究,并通过对已有的同步机械开关的SP-SSHI(MSP-SSHI)进行了总结归纳,提出了一款新型的同步机械开关。将该同步机械开关运用到自供电电感同步开关能量收集电路中,且对该机电MSP-SSHI系统进行了建模分析和实验对比。研究结果表明:MSP-SSHI工作在线性条件下时,比传统能量收集电路有较高的能量收集效率;工作在双稳态惯性振荡非线性系统下时,有更宽的能量收集频率范围。

一种高效压电能量收集器的设计及供电研究

为了优化压电能量收集器的性能以解决植入式传感器的自供电问题,设计了一种双耳悬臂梁的压电结构并提出了一种高效的自供电并联同步开关电感(ESPP-SSHI)电路。通过模型建立和ANSYS及MULTISIM的仿真实验,验证了压电结构的合理性及接口电路性能的可靠性。结果显示:压电结构的一阶固有频率从84.653 Hz降到了59.962 Hz,谐振时开路电压达3.75 V,电路的输出功率为0.97 mW,是并联同步电感(P-SSHI)电路的2.63倍,压电结构的整体功率密度为1.2 mW/cm^(3).

一种具有冷启动功能的自供电压电能量收集系统

文章根据并联同步开关电感收集(parallel synchronized switch harvesting on inductor,P-SSHI)技术,提出一种自供电的压电能量收集系统,实现了在低激励环境下的系统启动和电压输出功能,并基于压电材料分离电极理论设计冷启动电路。该系统采用带有有源二极管的P-SSHI整流电路代替传统的整流结构,以减少整流过程的能量损耗,能够在动态范围内调节输出电压,实现多输出负载的功能。基于0.18μm CMOS工艺仿真结果表明,该系统的电压翻转效率达到85%,输出功率是采用传统整流电路的5.8倍,同时能够产生1.2、1.8 V 2种电压,用于不同负载供电。该自供电能量收集系统可用于解决物联网无线传感器网络节点的自供电问题。

一种压电振动能量回收电路

为了提高压电式振动能量回收系统的能量回收能力和解决在负载变化使能量回收效率变差的问题,以悬臂梁式压电振动发电系统为例,提出了一种高效的压电振动能量收集电路设计方案,即并联型双同步开关电感接口电路,可将压电梁转换振动能量得到的电能高效地储存到电容中。实验结果表明,压电梁在频率为38.4Hz、加速度有效值为0.035m/s2振动激励下工作时,给出的并联双同步开关能量回收(P-DSSH)接口电路可释放的瞬时功率达0.25mW,是全桥整流接口电路(SEH)最优功率的5.8倍,是并联同步开关电感(P-SSHI)接口电路可释放的瞬时功率的2.2倍,是LTC3588-1电路可释放的瞬时功率的1.27倍,且其工作不受负载变化的影响。

低功耗自供电压电能量管理电路的研究

为了提高压电能量采集系统的采集效率,该文提出了一种用于压电能量采集的自供电能量管理电路。采用基于并联同步开关感应(P-SSHI)技术的有源全桥整流电路来提高压电采能器的功率,降低整流电路上的导通损耗;采用低功耗稳压降压集成芯片配合超级电容器,实现能量的高效采集存储。仿真结果表明,在模拟输出电压幅值为20 V时,该整流电路的输出功率为1.0846 W,比传统整流电路的平均输出功率提高了16.8%,在最高输出电压为5 V时,30 s内储存能量可以达到4.1371 J。