王根圣, 陳荷娟， 蔡建余,2， 孫加存,3

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210048；3.蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)集成電路的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點供能問題一直受到廣泛關(guān)注。壓電式能量收集裝置因具有結(jié)構(gòu)簡單、無污染、易小型化等優(yōu)點，適合用于各類傳感及監(jiān)測系統(tǒng)[1]。目前出現(xiàn)了大量的能量采集電路，但較多采用有源方式實現(xiàn)同步開關(guān)控制，與自供能的初衷相悖,且能量收集效果仍然微小，僅有幾毫瓦(mW)，甚至微瓦(μM)級別。

為此，本文在串聯(lián)電感同步電荷采集電路(series-synchronous switching harvesting on inductor,S-SSHI)的研究基礎(chǔ)上，分析并設(shè)計了一種高功率輸出且快速穩(wěn)定的壓電能量存儲電路。

1 模型分析

模型采用陳荷娟等人[2]研制的小型氣流致聲振動壓電換能器，該結(jié)構(gòu)具有小體積高能量且穩(wěn)定輸出的特征。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。系統(tǒng)主要包括3個模塊：氣流調(diào)理機(jī)構(gòu)、氣流致聲機(jī)構(gòu)和聲/電換能機(jī)構(gòu)。1)氣流調(diào)理機(jī)構(gòu)由環(huán)隙型進(jìn)氣道組成。外部氣流在近進(jìn)氣口迅速轉(zhuǎn)捩形成速度場發(fā)展分布均勻的湍流，噴嘴出流口噴注的壓力脈動，因出現(xiàn)旋渦脫落，在空腔內(nèi)形成渦環(huán)。2)氣流致聲機(jī)構(gòu)由噴注、空腔、尖劈、共振腔構(gòu)成，渦環(huán)的脈動壓力場沖擊共振腔尖劈，產(chǎn)生邊棱音，由于聲波在共振腔底部發(fā)生全反射，所以，在共振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的駐波，在共振腔口部的聲強(qiáng)被放大，于是產(chǎn)生了一個頻率、振幅穩(wěn)定的流體動力聲源[3,4]。3)聲/電換能機(jī)構(gòu)由共振腔、壓電振子、端蓋組成，壓電振子包括1根導(dǎo)電的圓銅片以及貼附在其上的陶瓷片。共振腔內(nèi)的穩(wěn)定聲波與換能器的固有頻率接近，激勵壓電片振動輸出最高電壓。氣流致聲過程是一個復(fù)雜的非線性過程，可認(rèn)為是由不穩(wěn)定射流、尖劈和共振腔三者之間流—聲—固耦合作用過程。

圖1 氣流致聲振動壓電發(fā)電機(jī)原理

壓電換能器可等效為電荷源與電容器并聯(lián)或電壓源與電容器串聯(lián)[5]。經(jīng)試驗測量，接口電路的電源輸入?yún)?shù)為Vi=22 V，f=1.87 kHz，CP=6 nF。

2 改進(jìn)無源S-SSHI電路設(shè)計

S-SSHI如圖2所示，在經(jīng)典能量采集電路的基礎(chǔ)上添加了與壓電振子串聯(lián)的電感器L和開關(guān)S。當(dāng)壓電振子兩端電壓隨位移正弦變化達(dá)到極值時，閉合S，L與CP形成振蕩回路，壓電振子上存儲的電荷在1/2LCP振蕩周期內(nèi)通過L轉(zhuǎn)移至RL；轉(zhuǎn)移完成后，S斷開，由儲能電容器Cr向RL供電。電路工作的特點是始終保持壓電振子兩端電壓與結(jié)構(gòu)振動速度同相，周期性地將壓電振子兩端的電荷轉(zhuǎn)移至儲能元件中[6]。

圖2 S-SSHI

負(fù)載兩端的輸出功率為

(1)

式中γ為電壓翻轉(zhuǎn)系數(shù)，Vo為壓電振子峰值電壓。

最大輸出功率為

(2)

壓電能量采集的過程中需要考慮的一個重要因素是要能夠?qū)崿F(xiàn)自供能。為此，需要給圖2中開關(guān)S設(shè)計出一種低功耗的同步控制開關(guān)電路。Richard C等人[7]提出了一種峰值電壓檢測的開關(guān)型分流電路，如圖3所示。

通過對峰值電壓檢測電路模擬仿真以及在分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，如圖4所示。原電路中D2的功能主要是將C1端的信號單向轉(zhuǎn)移至T1發(fā)射極端，但因為D1的存在，電流無法從C1向R1流過，因此D2元器件可省去，減少功耗；R2在原電路中的功能主要起降壓作用，但由于C1在電路中跟隨并保持壓電振子兩端的電壓需要一定的時間滯后，而這時壓電振子端的電壓早已下降許多，T1發(fā)射極與基極間電壓差高于導(dǎo)通電壓，通過模擬仿真實驗，R2在電路中的降壓作用可去除；原電路中R3的作用主要是將T1集電極的信號轉(zhuǎn)移至T2基極。T2基極再與集電極進(jìn)行電壓比較，當(dāng)T2基極電壓高于集電極電壓時導(dǎo)通，此時T2基極電壓應(yīng)盡可能大些。R3勢必會引起較大壓降，更為合理的做法應(yīng)該換成壓降幾乎可忽略不計的單向?qū)ǘO管，或者直接去除電阻器R3，用二級管D4代替。

圖3 峰值電壓檢測電路

圖4 改進(jìn)型峰值電壓檢測電路

將改進(jìn)后的峰值電壓檢測電路應(yīng)用于S-SSHI，得到如圖5所示的改進(jìn)無源S-SSHI。

圖5 改進(jìn)無源S-SSHI模擬電路

3 結(jié)果分析

將經(jīng)典電路與改進(jìn)無源S-SSHI模擬電路圖繪制成PCB板，并接入實驗測試系統(tǒng)中。通過數(shù)據(jù)采集卡和功率分析儀分別測量出負(fù)載端輸出電壓和功率。

3.1 電壓響應(yīng)穩(wěn)定時間分析

電壓響應(yīng)穩(wěn)定時間指負(fù)載端輸出直流電壓從初始零時刻至穩(wěn)定時刻所耗費的時間。通過改變負(fù)載阻值，對經(jīng)典能量采集電路、改進(jìn)無源S-SSHI輸出電壓響應(yīng)穩(wěn)定時間模擬測量，得到對比曲線如圖6所示。得出如下結(jié)論：

1)隨著負(fù)載阻值對數(shù)增加，2種充電電路電壓響應(yīng)穩(wěn)定時間均呈直線上升趨勢。但改進(jìn)無源S-SSHI電壓響應(yīng)穩(wěn)定時間較快，高負(fù)載情況下尤為明顯；

2)改進(jìn)無源S-SSHI無論負(fù)載阻值如何變化，電壓響應(yīng)穩(wěn)定時間均最快，適用于需快速供能的網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點。

3.2 輸出功率分析

通過改變負(fù)載阻值，對經(jīng)典能量采集電路、改進(jìn)無源S-SSHI輸出功率模擬與實驗測量，得到對比曲線如圖7所示。得出如下結(jié)論：

1)實驗電路輸出功率相對模擬值較低些，但實驗測量曲線與模擬曲線吻合程度較高；

2)隨著負(fù)載阻值對數(shù)的增加，經(jīng)典電路、改進(jìn)無源S-SSHI呈現(xiàn)近似正態(tài)分布曲線規(guī)律；

3)經(jīng)典電路最大輸出功率為10.363 mW，與理論計算10.7 mW一致，改進(jìn)無源S-SSHI模擬最大輸出功率為51.243 mW，是經(jīng)典電路功率輸出最高值的4.95倍；

4)當(dāng)負(fù)載電阻值較低的情況下(小于20 kΩ)使用改進(jìn)無源S-SSHI能得到較高的輸出功率。

圖6 電壓響應(yīng)穩(wěn)定時間隨負(fù)載變化曲線

圖7 輸出功率隨負(fù)載變化曲線

4 結(jié)束語

設(shè)計了一種改進(jìn)的無源S-SSHI電路，具有高功率輸出和快速穩(wěn)定的特征，為無線網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點供能應(yīng)用提供理論依據(jù)。