程 波, 程 心, 張 章

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230601)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面,尤其是軍事、環(huán)境、醫(yī)療、工業(yè)及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)中的大多數(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都存在自供電問(wèn)題,能量收集技術(shù)是解決該問(wèn)題的一種方法。傳統(tǒng)的可收集能量包括光能、熱能及振動(dòng)能[1],其中,振動(dòng)能以其高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換率等優(yōu)點(diǎn)在能量收集領(lǐng)域中引起越來(lái)越多的關(guān)注。研究人員提出許多不同類(lèi)型的振動(dòng)能傳感器,如靜電式、壓電式及電磁式。在這些傳感器中,壓電傳感器(piezoelectric transducers, PT)由于具有高穩(wěn)定性而廣泛用于環(huán)境振動(dòng)能量收集。然而,從壓電傳感器中傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的能量是不能直接用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路的,需要接口電路來(lái)整流并且儲(chǔ)存這些能量。在所有接口電路中,全橋整流器(full-bridge rectifier, FBR)電路是使用最廣泛的電路,但是其效率很低、損耗也很大;而與FBR電路相比,并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感收集(parallel synchronized switch harvesting on inductor, P-SSHI)電路能夠極大地提升能量收集效率,被認(rèn)為是目前壓電能量收集中最有效的接口電路[2-4]。

在壓電能量收集系統(tǒng)中,為了保證P-SSHI電路的正常運(yùn)行,需要一個(gè)穩(wěn)定的直流電源。但是,當(dāng)系統(tǒng)處于冷態(tài)時(shí),可能無(wú)法獲得穩(wěn)定的直流電源,這將導(dǎo)致P-SSHI接口電路無(wú)法啟動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法擺脫冷態(tài)。系統(tǒng)冷態(tài)是由于系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量降低到零水平或長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有收集能量而造成的。因此,冷啟動(dòng)電路是確保壓電能量收集系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵[5],也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自供電必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

本文提出一種具有冷啟動(dòng)功能的自供電壓電能量收集系統(tǒng)。根據(jù)壓電材料的物理特性,采用分離電極的設(shè)計(jì)幫助系統(tǒng)進(jìn)行冷啟動(dòng);采用雙負(fù)載電容結(jié)構(gòu),來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自供電;在系統(tǒng)的P-SSHI接口電路中采用有源二極管結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管,實(shí)現(xiàn)了更高的整流效率和更低的功率損耗;采用鋰電池與低壓差線性穩(wěn)壓器(low dropout regulator, LDO)相結(jié)合的方式,可以同時(shí)輸出1.2、1.8 V 2種負(fù)載電壓。

1 壓電能量收集系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)的壓電能量收集系統(tǒng)

壓電能量收集系統(tǒng)中2種常用的接口電路如圖1所示。圖1中:IP為壓電傳感器的等效電流源;VPT為壓電傳感器兩端電壓差;陰影部分表示沒(méi)有收集到的能量。從圖1b可以看出,FBR電路的收集效率低且損耗大;從圖1d可以看出,IP中的陰影部分明顯減少,因此收集效率得到提高,損耗降低。

圖1 FBR電路與P-SSHI電路及其IP、VPT波形

1.2 冷啟動(dòng)問(wèn)題研究

在壓電能量收集電路中,壓電傳感器的開(kāi)路電壓VOC、整流電壓VL及二極管壓降VD之間關(guān)系為:

VOC>VL+2VD

(1)

由(1)式可知,VOC應(yīng)足夠大才能開(kāi)啟整個(gè)電路,因此,關(guān)鍵在于如何增加VOC。壓電傳感器振動(dòng)時(shí)懸臂的應(yīng)變分布與區(qū)域長(zhǎng)度之間的關(guān)系如圖2所示。由于機(jī)械形變引起的應(yīng)變沿著懸臂的長(zhǎng)度從夾緊端到自由端逐漸減小,懸臂分為3個(gè)區(qū)域:區(qū)域1是高應(yīng)變區(qū)域,其靠近夾緊端,但是面積很小;區(qū)域2是低應(yīng)變區(qū)域,其位于材料的中間并且具有相對(duì)較大的面積;區(qū)域3是在材料自由端附近的零應(yīng)變區(qū)域[6]。

圖2 沿懸臂長(zhǎng)度的應(yīng)變分布曲線

因?yàn)閴弘妭鞲衅髡駝?dòng)產(chǎn)生的VOC與其應(yīng)變程度成正比,所以區(qū)域1產(chǎn)生的VOC比區(qū)域1和區(qū)域2加起來(lái)所產(chǎn)生的VOC要高得多。

本文作出如下設(shè)想:當(dāng)系統(tǒng)處于冷態(tài)時(shí),區(qū)域1連接到系統(tǒng),同時(shí)區(qū)域2斷開(kāi)連接,系統(tǒng)可以通過(guò)區(qū)域1的高VOC值來(lái)啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)收集到足夠的能量來(lái)為P-SSHI電路供電時(shí),則連接區(qū)域2,系統(tǒng)收集整個(gè)壓電材料的振動(dòng)能量。

1.3 本文提出的壓電能量收集系統(tǒng)

本文提出的壓電能量收集系統(tǒng)示意圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要由P-SSHI模塊、冷啟動(dòng)模塊、電荷泵模塊及多輸出負(fù)載模塊組成。P-SSHI模塊將壓電能量整流為直流電壓VL,同時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)自供電電壓VDD;冷啟動(dòng)模塊通過(guò)控制信號(hào)KH、YH控制開(kāi)關(guān)MN0、MP0的導(dǎo)通關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在冷態(tài)下的啟動(dòng);電荷泵模塊為P-SSHI模塊和冷啟動(dòng)模塊中的電平移位器提供高電平VDDH,以保證電平移位器的正常工作;輸出電壓VL和VDD分別為不同輸出負(fù)載供電。

圖3 本文提出的壓電能量收集系統(tǒng)

根據(jù)前面的分析,系統(tǒng)工作過(guò)程可以分為2個(gè)階段:第1階段,KH和YH為低電平,每個(gè)模塊電路均未啟動(dòng),此時(shí)系統(tǒng)處于冷態(tài),系統(tǒng)只能用作全橋整流,僅收集區(qū)域1的能量,直到收獲穩(wěn)定的電壓VDD以擺脫冷態(tài)為止;第2階段,系統(tǒng)保持VDD穩(wěn)定以開(kāi)啟P-SSHI模塊,此時(shí),區(qū)域1和區(qū)域2連接在一起,整個(gè)系統(tǒng)都得到運(yùn)行以收集更多的能量。

視覺(jué)航標(biāo)，又稱(chēng)目視航標(biāo)，是可以直接目視觀測(cè)的助航標(biāo)志，顏色與形狀特點(diǎn)是非常容易讓人辨認(rèn)的，航海人員在白晝直接觀察標(biāo)身的顏色、形狀和頂標(biāo)，視覺(jué)航標(biāo)也可安裝燈器及其他設(shè)備，在夜間識(shí)別需要觀察航標(biāo)的燈光節(jié)奏和燈光顏色。視覺(jué)航標(biāo)包括有水上燈樁、浮標(biāo)、燈浮標(biāo)、燈船等水上浮動(dòng)航標(biāo)和燈塔、立標(biāo)、導(dǎo)標(biāo)等固定航標(biāo)。

2 電路實(shí)現(xiàn)

2.1 P-SSHI整流電路

本系統(tǒng)采用的P-SSHI接口電路如圖4所示,該電路包括開(kāi)關(guān)控制模塊、有源整流模塊及過(guò)零檢測(cè)模塊。

圖4 本文采用的P-SSHI電路圖

在有源整流模塊中,采用有源二極管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的肖特基二極管來(lái)構(gòu)成整流橋,以防止電流回流并減小整流路徑的導(dǎo)通電阻。此外,有源整流電路的上半橋采用交叉耦合的PMOS結(jié)構(gòu),下半橋采用比較器和NMOS晶體管結(jié)合的結(jié)構(gòu),可以有效減少整流損耗[7-8]。

在圖4中,當(dāng)壓電傳感器的等效電流源IP通過(guò)零點(diǎn)時(shí),就是電壓 |VA-VB|(即圖1d中的VPT)達(dá)到峰值的時(shí)候。當(dāng)VA或VB從負(fù)峰值上升時(shí),過(guò)零檢測(cè)模塊中的2個(gè)比較器通過(guò)比較VA、VB和Vref0的大小,分別輸出Q1和Q2。這里基準(zhǔn)電壓Vref0設(shè)置為略大于-VD的值,VD是有源二極管的壓降。然后,Q1和Q2通過(guò)邏輯電路得到信號(hào)FP、FN,最后生成分別控制開(kāi)關(guān)控制模塊中2個(gè)開(kāi)關(guān)SW1、SW2的信號(hào)F1和F2。當(dāng)F1或F2變?yōu)楦唠娖綍r(shí),表明電流源IP經(jīng)過(guò)零點(diǎn),此時(shí)開(kāi)關(guān)SW1或SW2導(dǎo)通以形成LC諧振回路,最初存儲(chǔ)在電容CP中的能量被傳遞到電感L上,當(dāng)電壓翻轉(zhuǎn)時(shí),電感L中的能量再返回到CP。P-SSHI電路可加快電壓翻轉(zhuǎn),從而降低整流損耗并提高整流效率。

2.2 電荷泵電路

因?yàn)樗岢龅南到y(tǒng)使用許多大尺寸的MOS晶體管作為開(kāi)關(guān),而電壓VDD可能太低而無(wú)法完全驅(qū)動(dòng)這些開(kāi)關(guān),所以系統(tǒng)需要使用DC-DC升壓電路。本系統(tǒng)使用的電荷泵升壓電路如圖5所示。該電路可以實(shí)現(xiàn)3倍升壓,即輸出電壓VDDH=3VDD,它由環(huán)形振蕩器、分頻器、不重疊信號(hào)發(fā)生器、電平轉(zhuǎn)換器及開(kāi)關(guān)電容組成。

圖5 本文所用電荷泵電路圖

該電路工作原理如下:環(huán)形振蕩器產(chǎn)生頻率為8 kHz左右的時(shí)鐘信號(hào)RO,通過(guò)分頻器產(chǎn)生1 kHz的信號(hào)FD,再通過(guò)不重疊信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生2個(gè)不重疊的時(shí)鐘信號(hào),并通過(guò)電平移位器轉(zhuǎn)換為f1和f2,用于控制開(kāi)關(guān)電容,從而實(shí)現(xiàn)3倍升壓的功能。

2.3 冷啟動(dòng)電路

基于分離電極理論的冷啟動(dòng)電路如圖6所示。該電路主要由電容充電模塊和連接控制模塊組成,其功能是產(chǎn)生2個(gè)控制信號(hào)YH和KH。電容充電模塊通過(guò)電阻R1和R2,將分壓后的VDD與參考電壓VBG進(jìn)行比較,并輸出信號(hào)Y0,該信號(hào)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換器升壓到Y(jié)H,以控制PMOS開(kāi)關(guān)MP0的導(dǎo)通關(guān)斷。由于在系統(tǒng)中VDD需要穩(wěn)定在1.5 V左右,因此當(dāng)VDD尚未達(dá)到1.5 V時(shí),YH為低電平,MP0導(dǎo)通并且CL為CDD充電;當(dāng)VDD達(dá)到1.5 V時(shí),YH達(dá)到高電平以關(guān)閉MP0,這樣VDD就可以穩(wěn)定在1.5 V左右。在連接控制模塊中,Y0經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器產(chǎn)生信號(hào)K0,電平移位器再將K0移位成高電平信號(hào)KH。當(dāng)VDD達(dá)到1.5 V時(shí),KH上升到高電平以導(dǎo)通圖3中的開(kāi)關(guān)MN0,從而可以將圖2中的區(qū)域1和區(qū)域2連接在一起,此時(shí)系統(tǒng)開(kāi)啟P-SSHI模塊擺脫冷態(tài),系統(tǒng)同時(shí)收集區(qū)域1和區(qū)域2的能量以增加收集的功率。

圖6 冷啟動(dòng)電路圖

2.4 多負(fù)載輸出電路

本系統(tǒng)中使用的多輸出負(fù)載電路如圖7所示。在2.3節(jié)中提到電容CL和CDD通過(guò)一個(gè)柵極電壓為YH的PMOS開(kāi)關(guān)管MP0連接,YH為低時(shí)MP0導(dǎo)通,YH為高時(shí)MP0截止。但是,隨著系統(tǒng)能量的積累,MP0的源極電壓VL將不斷上升。當(dāng)VL上升至5.2 V左右時(shí),即使YH處于高電平,開(kāi)關(guān)也無(wú)法正常關(guān)閉,這會(huì)導(dǎo)致VDD充電至高于1.5 V的電壓;沒(méi)有穩(wěn)定的電壓,系統(tǒng)將無(wú)法正常工作,因此,這里使用1.8 V鋰電池來(lái)收集多余的能量,鋰電池與電容CL并聯(lián)連接。當(dāng)VL達(dá)到5.0 V時(shí),鋰電池將充電以吸收多余的能量,從而確保MP0的正常開(kāi)關(guān)功能,因此VDD可以始終保持穩(wěn)定在1.5 V。

圖7 本文采用的多輸出負(fù)載電路圖

3 仿真結(jié)果與分析

將本文提出的壓電能量收集系統(tǒng)在TSMC 0.18 μm CMOS工藝中進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。P-SSHI電路中的壓電傳感器電壓VPT、電壓翻轉(zhuǎn)信號(hào)FP、整流電壓VL以及冷啟動(dòng)電路產(chǎn)生的控制信號(hào)YH、KH波形如圖8所示。從圖8可以看出,該系統(tǒng)的工作過(guò)程分為FBR和P-SSHI 2個(gè)階段,通過(guò)VPT波形可以看出系統(tǒng)從低壓狀態(tài)下逐漸升壓到最后正常運(yùn)行。當(dāng)FP從0 V上升到1.5 V時(shí),系統(tǒng)從FBR階段進(jìn)入P-SSHI階段,VL也逐漸升高,并最終穩(wěn)定在5.0 V左右,這意味著系統(tǒng)按照預(yù)期運(yùn)行。當(dāng)VDD尚未達(dá)到1.5 V時(shí)YH和KH均為低電平;當(dāng)VDD達(dá)到1.5 V時(shí),YH和KH上升至4.5 V,系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)P-SSHI電路并開(kāi)始收集區(qū)域1和區(qū)域2的能量。

系統(tǒng)穩(wěn)定后在P-SSHI階段的某個(gè)時(shí)刻,VPT、FP及VL的放大波形如圖9所示。從圖9可以看出,VPT翻轉(zhuǎn)時(shí)存在電壓損失VT。電路電壓翻轉(zhuǎn)效率ηF計(jì)算公式為:

(2)

這里VT=3.5 V,VL=5.0 V,因此該電路的ηF=85%。

圖8 VPT、FP、VL以及冷啟動(dòng)電路產(chǎn)生的控制信號(hào)YH、CH波形

圖9 P-SSHI階段的VPT、FP及VL的放大波形

電荷泵中主要信號(hào)的波形如圖10所示。環(huán)形振蕩器產(chǎn)生頻率為8 kHz的信號(hào)RO,分頻器產(chǎn)生頻率為1 kHz的信號(hào)FD,不重疊信號(hào)發(fā)生器和電平轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)f1和f2。從圖10可以看出,VDD保持穩(wěn)定在1.5 V,而VDDH保持穩(wěn)定在4.5 V,即實(shí)現(xiàn)了3倍升壓的功能。

圖10 電荷泵主要信號(hào)波形

本系統(tǒng)在不同電感條件下能量收集功率的波形如圖11所示。本系統(tǒng)使用片外高品質(zhì)因數(shù)電感,電感值升高可以有效降低翻轉(zhuǎn)電壓時(shí)的損耗。當(dāng)電感為1 mH時(shí),FBR階段的收集功率為6 μW,而P-SSHI階段的收集功率可以達(dá)到35 μW,因此后者的能量收集功率是前者的5.8倍。

本系統(tǒng)的主要性能以及與文獻(xiàn)[5-6]電路的對(duì)比見(jiàn)表1所列。

由表1可知,與文獻(xiàn)[5-6]系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)不僅在整流翻轉(zhuǎn)效率和輸出功率等性能上得到極大提升,而且增加了系統(tǒng)冷啟動(dòng)和多輸出的功能,使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的實(shí)用性。

表1 本文與文獻(xiàn)[5-6]電路的對(duì)比

4 結(jié) 論

本文提出一種基于P-SSHI的單輸入多輸出壓電能量收集系統(tǒng)，可以在低激勵(lì)水平下進(jìn)行冷啟動(dòng)。仿真結(jié)果表明:該系統(tǒng)采用P-SSHI整流結(jié)構(gòu)的電壓翻轉(zhuǎn)效率達(dá)到85%;輸出功率得到顯著提高,是同等激勵(lì)條件下傳統(tǒng)全橋整流電路輸出功率的5.8倍;系統(tǒng)可以同時(shí)輸出1.2、1.8 V 2種穩(wěn)定電壓,為不同的負(fù)載供電。該系統(tǒng)可以有效解決物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電問(wèn)題。