屈鳳霞，夏銀水，施　閣，葉益迭，寇彥宏（寧波大學電路與系統(tǒng)研究所，浙江寧波315211）

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自供電的同步電荷提取電路的優(yōu)化設計*

屈鳳霞，夏銀水*，施閣，葉益迭，寇彥宏
（寧波大學電路與系統(tǒng)研究所，浙江寧波315211）

摘要：利用壓電元件的壓電效應將外界振動產生的機械能轉化為電能是當前一種有效的俘能方法。將壓電元件表面累積的電荷進行有效提取是這種俘能方法的關鍵。因此，高效的電荷提取電路的設計顯得特別重要。本文提出了一種自供電同步電荷提取電路SP-OSCE（Self-Powered Optimized Synchronous Charge Extraction Circuit），使用兩個無源的極值檢測電路檢測壓電元件輸出信號的正負極值并在極值點進行能量提取。所提出的SP-OSCE電路采用整流電路、極值檢測電路元件復用的方法，從而避免了傳統(tǒng)的整流橋結構；電路不但提取了壓電元件受夾電容中的電荷，而且將檢測電容中所積累的電荷提取到電感上，提高了能量的轉換效率。通過Multisim建模仿真驗證了所設計電路的有效性，進而進行了物理驗證，實驗表明與仿真結果相吻合。

關鍵詞：能量俘獲；壓電元件；接口電路；自供電；實驗驗證

項目來源：國家自然科學基金項目（61131001，61401243）；寧波市創(chuàng)新團隊項目（C01280114302）；浙江省自然科學基金項目（LQ15F010002）；浙江省新苗人才計劃項目（2014R405087）

隨著集成電路技術、傳感技術和通信技術的發(fā)展，無線傳感器網絡成為了目前研究的熱點，并已廣泛應用于工業(yè)、消費電子、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、軍事等領域［1］。但是由于使用電池的傳統(tǒng)供電方式的局限性，使無線傳感器網絡節(jié)點供電成為了制約無線傳感器網絡發(fā)展的瓶頸。目前，利用環(huán)境能量為無線傳感器節(jié)點供電已成為解決無線傳感器網絡能量供給問題的有效方法之一。振動是環(huán)境中廣泛存在的一種能量形式，如大自然中水和空氣的流動、工業(yè)機器運作時的振動、交通工具運行及人體運動產生的振動等都具有振動能?；谡駝拥哪芰糠@方法一般有三種：電磁式、靜電式和壓電式，其中壓電式振動能量俘獲裝置因具有結構簡單、能量密度高、壽命長、可兼容等優(yōu)點而被廣泛采用［2］。

壓電式振動能量俘獲裝置利用壓電材料的正壓電效應，將環(huán)境中的振動能轉換為電能。由于振動使壓電元件輸出交流電壓，而無線傳感網絡節(jié)點的供電需要穩(wěn)定的直流電壓，所以，在壓電元件與直流負載之間需要設計能量轉換的接口電路，其中經典的方法是由二極管全橋整流器和一個濾波電容組成的標準能量俘獲電路SEH（Standard Energy Harvest?ing）。但是這種電路不僅俘獲效率低，而且俘獲的功率受后端濾波電容電壓和負載大小的影響。因此，研究人員提出了多種能量俘獲接口電路，主要包括并聯(lián)同步開關電感電路P-SSHI（Parallel Synchro?nized Switch Harvesting on Inductor）、串聯(lián)同步開關電感電路S-SSHI（Series Synchronized Switch Har?vesting on Inductor）、同步電荷提取電路SCE（Syn?chronous Charge Extraction）或SECE（Synchronous Electric Charge Extraction），以及從這3種電路派生出來的雙同步開關電路DSSH（Double Synchronized Switch Harvesting）、優(yōu)化型同步電荷提取電路OSE?CE（Optimized Synchronous Electric Charge Extrac?tion）等［3-6］。但是大部分電路需要由外供電的DSP控制系統(tǒng)輔助才能實現(xiàn)，其輔助電路本身功耗較大，甚至有可能超過系統(tǒng)從外界俘獲的能量。OSECE電路在SECE電路的基礎上，優(yōu)化了其開關控制策略，給出了低功耗的自供電方案，但是OSECE電路中需要一個三線圈的耦合反激式變壓器，導致整體電路體積龐大，而且極值檢測電路中的檢測電容所積累的電荷需要通過電阻放電，這不僅時間難以控制而且造成了能量損耗［7-8］。

本文提出了一種自供電的同步電荷提取電路SPOSCE（Self- Powered Optimized Synchronous Charge Extraction Circuit）。所提出的SP-OSCE電路使用兩個無源的極值檢測電路來檢測壓電元件輸出電壓的正負極值，并在極值點對壓電元件上產生的電荷進行提取。SP-OSCE電路采用整流電路、極值檢測電路元件復用的方法，具有無需傳統(tǒng)整流橋結構、且能提取極值檢測電路中電容所積累的電荷的能力。Multisim建模仿真和物理驗證表明了所設計電路的有效性。

1　壓電元件的等效模型及經典接口電路分析

1.1壓電元件的等效模型

壓電元件的等效電路可以用一個機械彈簧系統(tǒng)耦合到電域來表示（一種顯示壓電能量俘獲機械特性和電氣特性的等效電路），如圖1所示［8-11］，Lm代表機械質量，Cm代表機械剛度，Rm代表機械損失。當激發(fā)正弦振動時，壓電元件可以建模成由一個正弦電流源IP、電容CP和電阻RP組成的電路，其中CP代表壓電材料的受夾電容。

圖1　壓電元件機電耦合等效模型

1.2經典接口電路分析

1.2.1標準能量俘獲電路

標準能量俘獲電路（SEH）由全橋整流器和濾波電容Cr組成，如圖2所示，終端負載等效為電阻RL。

圖2　標準能量俘獲電路

當壓電元件受夾電容CP兩端的電壓VP小于儲能電容Cr兩端的電壓VDC時，整流器不工作。當VP的絕對值大于VDC時，電荷開始從CP中通過整流電路轉移到Cr中。SEH電路的輸出功率可表示為［12-13］：

其中α是壓電元件的壓電應力因子，f是系統(tǒng)的諧振頻率，uM是壓電元件機械振動位移的最大幅值。

由式（1）可以得出SEH電路的最優(yōu)負載Ropt：

因此，SEH電路的最大輸出功率為：

1.2.2同步電荷提取電路

同步電荷提取電路的原理圖和工作波形如圖3所示。當壓電元件振動位移達到峰值時，壓電元件兩端的開路電壓也達到極值，此時對壓電元件上的電荷進行提取，能量的提取效率最高。同步電荷提取電路就是基于這個原理，當壓電元件振動位移達到峰值時，閉合開關S，則壓電元件的受夾電容CP與電感L形成LC振蕩回路，壓電元件上累積的電荷在短時間內轉移為電感中的磁能存儲；電荷轉移完成后開關S打開并等待下一次電荷提取，此時壓電元件開路。電感L通過二極管續(xù)流將能量轉移到儲能電容Cr上。

圖3　同步電荷提取電路原理圖和電容Cp的工作波形

除了電荷轉移的時間之外，全橋整流器的二極管均處于截止狀態(tài)，壓電元件輸出的電流Ip為0。這種情況下，電壓振幅VM可表示為：

因此，同步電荷提取電路的平均功率可表示為：

通過式（3）和式（5）對比可以得出，在理想情況下同步電荷提取電路的提取功率為標準能量俘獲電路最大提取功率的四倍。同時，從式（5）中可以得出，同步電荷提取電路獨立于負載，即輸出的功率不受負載影響，這是同步電荷提取電路顯著的優(yōu)點。

2　電路設計

本文提出的自供電同步電荷提取電路（SP-OSCE）如圖4所示。主要包括兩個極值檢測電路，開關S1、S2，二極管D1、D2、D3，電感L和電容Cr。

圖4　優(yōu)化的同步電荷提取電路

正極值由晶體管Q3，二極管D4、D5，電容C1來檢測，而負極值則由晶體管Q1，二極管D4、D5，電容C1來檢測。電子開關S1、S2分別由晶體管Q2、Q4實現(xiàn)。晶體管Q1、Q3的實際作用類似于比較器［14-16］；下拉電阻Rpd1、Rpd2分別確保當晶體管Q1、Q3截止時晶體管Q2、Q4的基電極接地。

在壓電元件輸出電壓信號的正半周，電路分為以下4個工作階段。

第1階段：自然充電階段

壓電元件從零位移處向最大位移處運動時，壓電元件因為壓電效應產生電荷，受夾電容CP開始充電。當CP上的電壓大于二極管D5以及晶體管Q1的基射極閾值電壓時，電容C1開始充電，如圖5（a）所示。當壓電元件運動到最大位移處時，壓電元件輸出的開路電壓達到最大，此時壓電元件輸出電流為零，電容CP、C1上的電壓達到最大值，電路進入第二個工作階段。

第2階段：電流反相階段

隨著壓電元件開始反向運動，電容CP反向充電，如圖5（b）所示。CP上的電壓開始減小，而C1上的電壓由于二極管D4的閾值電壓和D5的反向截止作用無法減小，直到電容CP上的電壓與C1上的電壓差大于晶體管Q3的基射極閾值電壓，晶體管Q3導通，電路進入第三個工作階段。

第3階段：能量提取階段

晶體管Q3導通，因此晶體管Q4也導通，電容CP通過二極管D1、電感L、晶體管Q4形成放電回路，電容CP與電感L產生LC諧振，振蕩1/4個LC周期后，電容CP電壓下降到零。同時，電容C1通過二極管D4、D1，電感L，晶體管Q4、Q3形成放電回路。電容CP、C1的放電完成后，電感L上的電流增加到最大值，如圖5（c）所示。此時晶體管Q3截止，因此Q4也截止，電路進入第4階段。

第4階段：電感續(xù)流階段

電感L通過二極管續(xù)流將能量轉移到儲能電容Cr中，用于后端負載的供電。完成正半周期能量同步提取，如圖5（d）所示。

壓電元件負半周輸出的最小電壓被負極值檢測電路檢測，并以類似的工作方式俘獲能量。

圖5　優(yōu)化的同步電荷提取電路的4個工作階段

3　仿真及分析

對所提出的SP-OSCE電路在Multisim下進行建模仿真，元件模型及參數(shù)如表1所示。

表1　元件模型及參數(shù)

電路的仿真波形如圖6所示。圖6（a）為壓電元件電壓VP的仿真波形，圖6（b）為電感L的電流波形及其局部放大圖，圖6（c）為電容CP、C1、Cr的電流波形。由圖6（a）可見，壓電元件的輸出電壓VP在壓電元件的振動位移峰值處反向至零；電壓反相后，壓電元件開路，電壓隨壓電元件振動位移變化。由圖6（b）可見，在極值檢測開關在壓電元件輸出電壓的極值處閉合，電容CP與電感L產生LC諧振，1/4個振蕩周期后電容CP中的能量完全轉移到電感L中，電感L中的電流迅速從零增加到最大值然后又減小到零，這是因為電感L通過二極管續(xù)流將能量轉移到儲能電容Cr中。圖6(c)中電容CP、C1、Cr的電流波形驗證了以上的分析，電容Cr中的電流為電容CP、C1中的電流之和。值得注意的是，用這種極值檢測結構導致系統(tǒng)在峰值電壓和實際的開關時間之間存在相位滯后，這是由于二極管和晶體管的閾值壓降導致的。

圖6　新型自供電同步電荷提取電路仿真波形圖

為了比較不同接口電路在能量俘獲效率方面的性能，我們把這些電路在不同負載（負載RL變化范圍為0～500 kΩ）時的輸出功率進行了比較，如圖7所示。仿真結果表明SP-OSCE電路在負載大于50 kΩ后輸出功率基本恒定在4.33 mW。在負載電阻較低時，電路俘獲能量的效率也較低，這是因為在低負載區(qū)域電路輸出電壓較低，電路中各二極管和晶體管閾值壓降對輸出功率的影響較為明顯。

圖7　幾種接口電路的輸出功率比較

通過對SP-OSCE電路和標準能量俘獲電路的最大輸出功率的仿真測試，結果表明SP-OSCE電路的輸出功率是標準能量俘獲電路的3.03倍。當然，由于系統(tǒng)的性能受振動源、工藝條件等諸多因素制約，我們很難對所有不同的接口電路進行公平的比較。因為SP-OSCE電路中的電感在其電流達到極值時斷開與前端壓電元件的連接，通過后端的二極管續(xù)流，電感產生的較大的感應電動勢啟動對儲能電容充電，所以該電路輸出功率基本不隨負載變化；同時SP-OSCE電路避免了使用Self-powerd SCE電路中的變壓器和OSECE電路中的三線圈變壓器，減小了電路的體積。雖然Self-powerd SCE電路輸出功率也基本不隨負載變化，但輸出功率僅是標準能量俘獲電路最大輸出功率的2.61倍，這是由于Self-powerd SCE電路中包含二極管整流橋，因此在實際應用中二極管的閾值壓降引起的能量損耗較SP-OSCE大。OSECE電路輸出功率在負載為10 kΩ～80 kΩ時大于SP-OSCE電路的輸出功率，但是由于電路輸出的直流電壓受負載電阻的影響，因此OSECE電路輸出功率隨負載變化；而且OSECE極值檢測電路中的檢測電容所積累的電荷需要通過電阻放電，這不僅時間難以控制而且造成了能量損耗。所提出的SP-OSCE電路采用整流電路、極值檢測電路元件復用的方法，避免了傳統(tǒng)同步電荷提取電路結構中的整流橋結構。綜上，本文所提出的電路在體積和能量俘獲效率方面相對較好。

4　實驗驗證

為驗證以上理論分析的結果，我們搭建壓電能量俘獲系統(tǒng)實驗對所提出的SP-OSCE電路進行物理驗證，如圖8所示。實驗主要由壓電元件、懸臂梁結構及SP-OSCE接口電路組成。懸臂梁一端固定另一端懸空，在懸臂梁的固定端粘貼尺寸為60 mm×30 mm×0.24 mm的壓電元件，在懸空端連接一個永久磁鐵，并由電磁驅動器提供一個正弦激勵進行驅動，以此改變懸臂梁懸空端的振動頻率和位移。由示波器（Agilent Technologies，MSO6012A）監(jiān)測能量提取過程中的電壓波形，并使用萬用表（Agilent 34401A digit Multimeter）對儲能電容上的電壓進行測量。

由于懸臂梁只在它的固有頻率范圍內進行振動，我們需要通過改變其機械結構尺寸和質量來調整其固有頻率。為了驗證SP-OSCE接口電路在不同頻率范圍內的性能，實驗采用一個壓電元件的等效電路來測試SP-OSCE接口電路的性能。壓電元件等效電路由電壓電流轉換器輸出的一個正弦電流源并聯(lián)一個與壓電元件等效電容CP相等的電容構成。電壓電流轉換器由函數(shù)信號發(fā)生器（RIGOL，DG1022U）和直流穩(wěn)壓電源（MOTECH，LPS-305）提供正弦激勵，改變壓電元件等效電路的輸入電壓幅值和頻率，壓電元件等效電路的輸出的變化范圍為1 kHz～3 kHz，輸出電壓為0～30 V。壓電元件等效電路如圖8所示。

圖8　壓電能量俘獲系統(tǒng)實驗平臺

示波器顯示為壓電元件等效電容上的電壓波形。壓電元件的輸出電壓在壓電元件的振動位移峰值處反向至零；電壓反相后，壓電元件開路，電壓隨壓電元件振動位移變化，與仿真結果相吻合。萬用表顯示為儲能電容兩端的電壓。

使用萬用表對SP-OSCE電路不同負載情況下負載的端電壓和通過負載的電流進行測量，得到SP-OSCE電路隨負載變化的輸出功率曲線，并與仿真結果進行比較，如圖9所示。物理驗證表明輸出功率隨負載的變化結果基本上與仿真結果相吻合。

由圖9可見，在整個負載區(qū)域內，電路的實驗輸出功率低于仿真輸出功率，這是由于實際電路中二極管和晶體管閾值壓降以及各元件的內阻造成的能量損耗。在低負載區(qū)域電路的輸出電壓較低，損耗主要由二極管的導通壓降以及各阻性元件的熱能損失引起。在負載電阻較高的區(qū)域，電路輸出的電壓也較高，由二極管和晶體管閾值壓降導致的能量損耗相對降低，但是電路俘獲能量時的充放電回路中的電流增加，包括電感內阻在內的整個回路中的阻性元件造成了電路在高負載區(qū)域能量損耗的增加，因此輸出功率隨負載增加而略微減少。

圖9　SP-OSECE電路輸出功率隨負載變化曲線

5　結論

基于無線傳感網絡節(jié)點的自供電問題，本文提出了一種自供電同步電荷提取電路。所提出的電路具有無需傳統(tǒng)整流橋結構、且能提取極值檢測電路中電容所積累的電荷的能力。仿真結果證明了本文所提出的電路能量俘獲效率高。仿真和物理驗證均表明所提出的電路的能量俘獲效率受負載變化影響較小。

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屈鳳霞（1989-），女，河南南陽人，碩士研究生，寧波大學信息科學與工程學院，主要研究方向為電子系統(tǒng)設計與開發(fā)，fengxiaqu@126.com；

夏銀水（1963-），男，浙江余姚人，教授/博士生導師，寧波大學信息科學與工程學院，主要研究方向為低功耗集成電路設計，電子設計自動化，xiayinshui@nbu. edu.cn。

Optimized Design of Self-Powered Synchronous Charge Extraction Circuit*

QU Fengxia，XIA Yinshui*，SHI Ge，YE Yidie，KOU Yanhong
（Institute of Circuits and System，Ningbo University，Ningbo Zhejiang 315211，China）

Abstract：It is an effective method to convert the mechanical energy from environment vibration into electric energy by utilizing the piezoelectric effect of piezoelectric element. Effectively extracting the accumulated charges from the surface of the piezoelectric element is the key for energy harvesting system. Hence，it is especially important to de?sign high efficient charge extraction circuit. This paper presents a self-powered optimized synchronous charge ex?traction circuit（SP-OSCE）. Two passive peak detector circuits including positive and negative peak detectors are employed to detect the extreme vibration displacement and extract energy at the extreme vibration displacement. The proposed circuit employs the component reuse method for the rectifier circuit and extrema detection circuit so that the traditional rectifier bridge structure is avoided. The circuit not only extracts the charges in clamped capaci?tance but also collects the charges in detection capacitance so that the energy conversion efficiency is improved. Multisim based simulation results show the efficiency and advantages compared with the published results. Further，the physical experiment is carried out and the experimental tests verify the simulation results.

Key words：energy harvesting；piezoelectric element；interface circuit；self-powered；experimental test

doi：EEACC：1210；2860A10.3969/j.issn.1004-1699.2016.03.008

收稿日期：2015-10-05修改日期：2015-12-30

中圖分類號：TN712+.5

文獻標識碼：A

文章編號：1004-1699（2016）03-0349-07