趙 康

（1.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050；2.上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201210；3.中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，系統(tǒng)決策機(jī)構(gòu)、傳感設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都逐漸網(wǎng)聯(lián)化、小型化和智能化，例如大型建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、野外環(huán)境的生態(tài)災(zāi)害監(jiān)測等。而這些廣布式設(shè)備的供能問題也愈發(fā)顯著。在眾多設(shè)計(jì)思路中，基于壓電效應(yīng)的動(dòng)能收集技術(shù)作為一種永續(xù)能源解決方案，引起研究人員的廣泛關(guān)注。目前的壓電能量收集（Piezoelectric Energy Harvesting，PEH）技術(shù)具有窄帶寬、機(jī)電耦合率低等缺陷，急需提出一種新型的接口電路，提升整個(gè)系統(tǒng)的能量收集能力。

1 簡介

微小能量收集逐漸成為電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)微小能量收集的機(jī)理和裝置種類繁多，按照能量來源的不同可分為熱能[1]、光能[2]、生物能以及動(dòng)能收集。振動(dòng)能量收集，由于其廣泛存在性，且相比其他能量形式更容易利用，有巨大的研究價(jià)值。目前，動(dòng)能收集的方式主要有電磁能量收集[3-4]、靜電能量收集[5]和壓電能量收集。壓電能量收集具有發(fā)生電壓高、結(jié)構(gòu)簡單[6]、不發(fā)熱、無電磁干擾[7]等特點(diǎn)，且易于加工制作和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的小型化、集成化，逐步成為能量收集的主體材料。

壓電能量收集技術(shù)是利用晶體的壓電效應(yīng)[8]，實(shí)現(xiàn)從機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化。因此，壓電晶體也被稱為換能器（Transducer），用來聯(lián)結(jié)這兩種能量形式。對(duì)于電學(xué)領(lǐng)域的研究人員，希望用電路表征整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的特性，壓電換能器的電學(xué)等效模型應(yīng)運(yùn)而生，如圖1所示。

圖1 弱機(jī)電耦合壓電換能器電學(xué)等效模型

由于電路系統(tǒng)的響應(yīng)遠(yuǎn)快于機(jī)械結(jié)構(gòu)響應(yīng)，可以近似認(rèn)為接口電路對(duì)系統(tǒng)的操作不會(huì)影響機(jī)械系統(tǒng)狀態(tài)，這就是“弱機(jī)電耦合模型”。在該電學(xué)模型中，交流電流源ipz正比于系統(tǒng)振動(dòng)速度，Cp為壓電換能器夾持電容，可變電阻Rp表征壓電換能器的介電損耗[9]，該模型可準(zhǔn)確反映電學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

本文基于偏置翻轉(zhuǎn)的思想，討論了一種新型易拓展的壓電饋能接口電路，并重點(diǎn)對(duì)其能量循環(huán)狀態(tài)進(jìn)行分析，驗(yàn)證該電路對(duì)提高壓電能量收集效率的作用。

2 壓電饋能系統(tǒng)

壓電能量收集作為一個(gè)多學(xué)科交叉的機(jī)電系統(tǒng)，涉及到振動(dòng)分析、機(jī)械裝置設(shè)計(jì)、開關(guān)電路設(shè)計(jì)和數(shù)字電路應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域。一個(gè)典型的壓電饋能系統(tǒng)如圖2所示：激勵(lì)源通過機(jī)械系統(tǒng)將振動(dòng)狀態(tài)及能量傳遞給壓電換能器，機(jī)械系統(tǒng)決定了整個(gè)饋能系統(tǒng)的共振頻率，這一參數(shù)決定了具有窄帶特性的壓電饋能系統(tǒng)的應(yīng)用場合。如滾筒式洗衣機(jī)的共振頻率約18.1 Hz[10]，壓電饋能系統(tǒng)的一階模態(tài)頻率就應(yīng)設(shè)計(jì)在這一頻率附近。接口電路用于操作壓電器件的輸出電壓波形，提升其輸出功率因數(shù)，進(jìn)而提升收集能力。收集到的電能暫存于儲(chǔ)能電容，并通過功率管理單元穩(wěn)壓、去紋波之后，為傳感器、微控制器等電子設(shè)備供電。

圖2 壓電饋能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

壓電饋能電路主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展過程：最初，全波整流電路被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路（Standard Energy Harvesting，SEH）。之后研究人員提出了一些同步開關(guān)方案，比如同步開關(guān)電感電路（Synchronized Switches Harvesting on Inductor，SSHI），通過引入電感支路，并在每一同步時(shí)刻（電壓極值，電流過零）導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)壓電換能器電壓的迅速翻轉(zhuǎn)[11]。2012年，文獻(xiàn)[12]在同步開關(guān)電感的基礎(chǔ)上引入了偏置翻轉(zhuǎn)的概念，通過將二極管替換為主動(dòng)橋，偏置電容Cr將在兩個(gè)連續(xù)的翻轉(zhuǎn)過程中以正負(fù)兩種形式接入電路，以此進(jìn)一步提高能量收集效率。

3 同步偏置翻轉(zhuǎn)電路

同步偏置翻轉(zhuǎn)，即通過設(shè)置階梯狀的偏置電平，并在壓電換能器同步時(shí)刻，依次將各電平接入翻轉(zhuǎn)支路。在這一過程中，使用多級(jí)小電平翻轉(zhuǎn)取代之前完整的一次翻轉(zhuǎn)，一方面可以提高整體的翻轉(zhuǎn)系數(shù)，提高整個(gè)電路系統(tǒng)從振動(dòng)源獲取的能量，另一方面也可以有效降低電壓翻轉(zhuǎn)過程中的能量損耗。

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及操作序列

基于偏置翻轉(zhuǎn)的改進(jìn)型并聯(lián)同步三切電路如圖3所示，整個(gè)電路系統(tǒng)由壓電等效模型、電流引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)和能量收集支路這3部分組成。

圖3 改進(jìn)的并聯(lián)同步三切接口電路

相比之前的電路拓?fù)鋄13-16]和最初的同步三切拓?fù)鋄15]，本文提出的改進(jìn)型并聯(lián)同步多切電路（以三切為例）的一大亮點(diǎn)在于電流引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與引入。在這一網(wǎng)絡(luò)中，每一開關(guān)支路的上半部分由1個(gè)NMOS和1個(gè)PMOS級(jí)聯(lián)組成，如圖3中G01和G02，這兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，既可以主動(dòng)實(shí)現(xiàn)電流的雙向流動(dòng)，又可以避免關(guān)斷期間反向二極管導(dǎo)通影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；下半部分則通過單一的MOSFET（NMOS或PMOS）和二極管，限制電流單向流通，保證電壓最大翻轉(zhuǎn)。每一支路的中點(diǎn)由輔助電容Cb連接，用于在各翻轉(zhuǎn)過程中提供偏置電壓。

對(duì)于下降半周期，即vp＞0，電流從引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)上半部分流向下半部分，該電路的操作序列如表1所示。在同步時(shí)刻，按照表中操作序列號(hào)#1～#3的順序連續(xù)導(dǎo)通對(duì)應(yīng)的MOSFET，3個(gè)偏置翻轉(zhuǎn)過程的偏置電壓分別為Vb+Vd，Vd和-Vb+Vd，其中Vd為電流引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中二極D03,D04,D13和D14的管壓降，Vb為輔助電容電壓，即理想的偏置電壓。對(duì)于上升半周期，有對(duì)稱于下降半周期的MOSFET通斷原則，只需保證電流從該網(wǎng)絡(luò)下半部分流向上半部分時(shí)的偏置電壓也有Vb+Vd，Vd和-Vb+Vd的序列。

表1 改進(jìn)的同步三切電路操作序列

按照表1所述的操作序列，下降半周期的電壓翻轉(zhuǎn)被劃分為三級(jí)階梯的方式，該電路的電壓、電流波形如圖4（a）、（b）所示。圖中V0～V4分別表示3次翻轉(zhuǎn)前后的中間電壓，ΔU是上一同步時(shí)刻翻轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí)刻電壓-V4與這一次翻轉(zhuǎn)前電壓（同時(shí)也是整流橋電壓）V0的差，θ則表示電壓上升ΔU在系統(tǒng)半周期內(nèi)的角度。與之前在同步翻轉(zhuǎn)理論[10-12]中的定義稍有不同，此處翻轉(zhuǎn)系數(shù)γ定義了每次翻轉(zhuǎn)前后電壓相對(duì)偏置電壓的變化率，該值決定于每個(gè)r-Li-Cp-Vb回路的品質(zhì)因數(shù)Q，但因同一同步時(shí)刻的三次偏置翻轉(zhuǎn)回路除輔助電容均使用同一拓?fù)?，每次翻轉(zhuǎn)的翻轉(zhuǎn)系數(shù)γ均一致：

3.2 電路系統(tǒng)等效阻抗

文獻(xiàn)[15]中采用的電路系統(tǒng)等效阻抗理論，認(rèn)為高次諧波對(duì)饋能系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)小于基波，求取電壓電流基波并傅里葉變換后得出，并聯(lián)同步三切接口電路的阻抗為

圖4 同步偏置翻轉(zhuǎn)饋能電路電壓和電流波形

電路等效阻抗中，實(shí)部反映電路系統(tǒng)從整個(gè)振動(dòng)源提取的能量，包括電路損耗和能量收集，而虛部代表電路系統(tǒng)的容性，這也反映出壓電饋能系統(tǒng)固有的較低的功率因數(shù)。相比傳統(tǒng)P-SSHI電路阻抗

S3BF電路能顯著提升其阻抗實(shí)部。因此，先進(jìn)的壓電饋能電路可以有效提高電路系統(tǒng)提取能量。

3.3 電路拓展性分析

在偏置翻轉(zhuǎn)的電路布局中，輔助電容因其電壓穩(wěn)定性要求，必須保證電容值足夠大。而在電路小型化、集成化的今天，大電容導(dǎo)致的大體積勢必會(huì)影響拓?fù)涞腎C實(shí)現(xiàn)。

和其余同步開關(guān)方案相比，該拓?fù)渥畲蟮奶攸c(diǎn)在于其電路拓展性。僅僅通過在電流引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)增加一個(gè)開關(guān)支路和輔助電容，并合理設(shè)計(jì)開關(guān)操作序列，即可輕松實(shí)現(xiàn)七次同步翻轉(zhuǎn)。在3個(gè)開關(guān)支路組成的電流引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)輔助電容可產(chǎn)生Vb2、Vb1和Vb（忽略二極管壓降Vd）3個(gè)偏置電壓。

同樣以下降半周期為例，在同步時(shí)刻連續(xù)導(dǎo)通對(duì)應(yīng)的MOSFET開關(guān)，接入電路的7個(gè)偏置電壓分別為Vb2、Vb1、Vb、0、-Vb、-Vb1和-Vb2。

7次偏置翻轉(zhuǎn)電路的電壓、電流波形如圖4（c）、（d）所示，這7次電壓翻轉(zhuǎn)前后對(duì)應(yīng)的8個(gè)中間電壓分別為圖中V0～V7。除去每次電壓翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，穩(wěn)態(tài)時(shí)同一輔助電容從換能器提取和回饋的能量相等（如第1、7次，2、6次和第3、5次翻轉(zhuǎn)），按照設(shè)計(jì)的開關(guān)序列，穩(wěn)態(tài)時(shí)每次翻轉(zhuǎn)覆蓋的電壓均勻分布在V0～V7之間，即整個(gè)電路系統(tǒng)自動(dòng)滿足最優(yōu)偏置策略（Optimal Bias-flip，OBF）[16]。此外，穩(wěn)態(tài)時(shí)的偏置電壓自動(dòng)滿足如下關(guān)系：

以此類推，該電路可拓展為n個(gè)輔助電容串聯(lián)的電流引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)共計(jì)可產(chǎn)生2n!+1次偏置翻轉(zhuǎn)，式中2表示每個(gè)偏置電壓可以正、負(fù)兩種形式引入電路，1表示一次過零的翻轉(zhuǎn)。

4 能量循環(huán)分析

對(duì)壓電饋能系統(tǒng)性能的判斷，一個(gè)重要指標(biāo)就是能量收集能力。因此，能量流向和接口電路對(duì)振動(dòng)機(jī)械能提取能力的影響研究十分重要。壓電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中主要涉及到三種能量：機(jī)械能、電能和熱能。振源輸入的能量主要在機(jī)械部分循環(huán)，振動(dòng)阻尼的存在導(dǎo)致一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，稱為機(jī)械能量損耗；機(jī)械能與電能通過壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化；由于存在電路損耗，電路系統(tǒng)提取的能量有一部分成為熱能損耗；電路的容抗特性影響整個(gè)電路系統(tǒng)的功率因數(shù)，一部分提取的能量重新轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最終剩余的電能供后續(xù)儲(chǔ)能、應(yīng)用端使用。

在接口電路提取到的能量中，應(yīng)當(dāng)去除電路熱損耗，才得到最終收集到的能量。對(duì)于偏置翻轉(zhuǎn)電路，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)周期內(nèi)收集到的能量由各輔助電容和輸出電容的能量組成，根據(jù)各電容在電壓恒定時(shí)能量變化關(guān)系，易得

其中M為一個(gè)同步時(shí)刻的偏置翻轉(zhuǎn)次數(shù)，Vdb為整流橋壓降?；谥皩?duì)電路中間電壓的分析可知，穩(wěn)態(tài)時(shí)各輔助電容提取的能量為0。

損失的能量主要由3部分組成：非理想電感導(dǎo)致的偏置翻轉(zhuǎn)回路能耗(Ed,flip)，以二極管為代表的回路能耗(Ed,routing)和整流橋能耗(Ed,rectify)，具體表示為：

基于文獻(xiàn)[15]對(duì)壓電換能器和機(jī)械建模結(jié)論，本文對(duì)不同翻轉(zhuǎn)系數(shù)下同步三切和七切電路的電能循環(huán)狀況進(jìn)行仿真和分析，結(jié)果如圖5所示。從圖中可知，偏置翻轉(zhuǎn)回路能耗是主要的能量損失來源。在翻轉(zhuǎn)系數(shù)一致時(shí)（γ=-0.1），提高同步翻轉(zhuǎn)次數(shù)能有效減少翻轉(zhuǎn)能耗(Ed,flip)，提高收集能量占提取能量的比重。在同一電路拓?fù)湎拢⊿7BF），提高偏置翻轉(zhuǎn)系數(shù)能顯著提高整個(gè)電路系統(tǒng)從機(jī)械部分提取的能量，進(jìn)而提高能量收集能力。

圖5 不同翻轉(zhuǎn)系數(shù)的偏置翻轉(zhuǎn)電路電能循環(huán)狀況

5 實(shí)驗(yàn)

用于驗(yàn)證基于偏置翻轉(zhuǎn)的壓電饋能電路性能的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。機(jī)電耦合部分將壓電換能器貼置于單懸臂梁結(jié)構(gòu)，機(jī)械振動(dòng)形式為基座激勵(lì)，結(jié)構(gòu)和振動(dòng)形式保證了振動(dòng)輸出的穩(wěn)定性和精確性。整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)處于系統(tǒng)的一階振動(dòng)模態(tài)。懸臂梁根部的加速度傳感器作為反饋?zhàn)兞?，得到更加穩(wěn)定的振動(dòng)加速度。由線圈和振動(dòng)末端放置的永磁體組成的速度傳感器實(shí)現(xiàn)同步時(shí)刻，即振動(dòng)極值時(shí)刻。在這一時(shí)刻，壓電換能器電流過零，電壓翻轉(zhuǎn)。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

采用圖6所示的同步七切偏置翻轉(zhuǎn)饋能電路，壓電換能器電壓波形如圖8所示。圖7（a）展示了穩(wěn)態(tài)下單個(gè)周期內(nèi)電壓波形，這個(gè)波形說明，采用多次偏置翻轉(zhuǎn)的電路可被視作更為理想的SSHI電路：隨著整體的電壓翻轉(zhuǎn)系數(shù)更接近于-1，整個(gè)饋能電路從系統(tǒng)提取到更多電能。圖7（b）是（a）中下降半周期偏置翻轉(zhuǎn)的瞬態(tài)波形，從該圖中可以明顯觀察到7次翻轉(zhuǎn)過程，圖中也展示了前4次偏置翻轉(zhuǎn)過程中的偏置電壓Vb2、Vb1、Vb和0。值得注意的是，從圖7（b）中可明顯觀察到第1、4、7次翻轉(zhuǎn)中電壓變化大于其他翻轉(zhuǎn)過程。

圖7 壓電換能器電壓波形

圖8為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，在同一開路電壓、同一負(fù)載條件下3種饋能電路在一周期內(nèi)提取和收集能量的情況。用于計(jì)算收集和損耗各部分能量所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也見圖8。其中，S7BF電路代表同步多次偏置翻轉(zhuǎn)饋能電路。從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可以看出，由于非理想器件的引入，電感支路（SSHI）的偏置翻轉(zhuǎn)系數(shù)較低，明顯引入了偏置翻轉(zhuǎn)回路能耗(Ed,flip)和二極管能耗(Ed,routing)，但是卻明顯提升能量提取和最終的收集能力，而偏置翻轉(zhuǎn)電路（SMBF）又在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低電路損耗，獲得更高的收集能力。

圖8 3種電路能量提取和收集實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

本文基于偏置翻轉(zhuǎn)的一般理論，通過引入電流引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)、電容復(fù)用等方式，提出一種易實(shí)現(xiàn)、易拓展的電路拓?fù)?。通過分析壓電饋能系統(tǒng)的能量循環(huán)狀態(tài)，明確了該電路在能量提取、收集的作用。本文是偏置翻轉(zhuǎn)理論的一種面向應(yīng)用、更易拓展的版本。