基于頻率變換的壓電俘能器接口電路設(shè)計(jì)

王二萍，蔡艷艷，孫彩霞，張洋洋，張金平

（黃河科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450006）

基于頻率變換的壓電俘能器接口電路設(shè)計(jì)

王二萍，蔡艷艷，孫彩霞，張洋洋，張金平

（黃河科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450006）

設(shè)計(jì)了一種可以減小匹配電感的雙同步開關(guān)電感電路。建立了仿真模型，仿真結(jié)果表明該電路的能量采集的功率最大可達(dá)1.9 mW。與一般同步電荷提取電路相比，該電路可以使整體電路體積減小了2/3。將此電路應(yīng)用于不同形狀的壓電片的振動(dòng)能量俘獲，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻率和壓電片的形狀對該電路收集到的能量都有影響，當(dāng)振動(dòng)頻率為40 Hz時(shí)，在矩形壓電片上收集到的能量最多。

壓電俘能；接口電路；頻率變換；匹配電感；同步電荷提??；雙同步開關(guān)電感電路

隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對于小尺寸、低能耗的微電子設(shè)備的需求與日俱增，解決這些微電子設(shè)備能量來源的問題就成為了研究重點(diǎn)[1-3]。近年來人們相繼研制出了多種微能源器件，比如微型太陽能電池、微型鋰電池及燃料電池等，微型太陽能電池雖然可以實(shí)現(xiàn)長期供能，但是其容易受天氣、應(yīng)用場合所限制，而鋰電池及燃料電池能量密度較低、壽命有限，因此，目前基于壓電材料的振動(dòng)能量回收技術(shù)最具有發(fā)展前景[4]。

本文提出了一種減小匹配電感的同步電荷提取電路，采用了雙向開關(guān)控制電路與頻率變換電路的組合。與一般 DSSH（Double Synchronized Switch Harvesting，雙同步開關(guān)電感電路）相比，其能量收集的最大功率和效率都有提高，同時(shí)由于此電路中減小了匹配電感值，因此使得能量回收裝置的體積可以大幅度減小。

1 減小匹配電感的同步電荷提取電路設(shè)計(jì)

一般的DSSH電路都是工作在懸臂梁的振動(dòng)頻率下，這就需要同步電感值很大才能與之匹配[5]。匹配電感值大直接導(dǎo)致俘能器接口電路的體積隨之增大，這一點(diǎn)違背了壓電俘能器體積小、適用于小型傳感器的初衷[6-7]。本文設(shè)計(jì)了一種在低頻下采集壓電材料輸出電能的壓電俘能器接口電路。電路中通過頻率變換模塊把幾十赫茲的低頻信號轉(zhuǎn)換至較高頻率（可達(dá)500 Hz以上），在這個(gè)較高頻率上實(shí)現(xiàn)對壓電材料的阻抗匹配，則與之匹配的電感值大大降低，這樣既減小了電路體積，也提升了向負(fù)載提供的輸出電壓值。

1.1 電路工作原理

電路由以下部分組成，包括諧振頻率變換電路、整流電路、DC-DC變換電路、雙向開關(guān)控制電路，如圖1所示，圖中ip(t)為交流電流源。

圖1 減小匹配電感的同步電荷提取電路Fig.1 The synchronous charge extraction circuit reducing matching inductors

由于壓電材料隨著形變而產(chǎn)生電荷，此特性類似于電容，所以為了提高能量儲存效率，應(yīng)該對其進(jìn)行阻抗匹配[8]。當(dāng)滿足式（2）時(shí)，電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，其中Rs是壓電材料的內(nèi)阻，Rin是諧振頻率變換電路的輸入阻抗。

由式（2）可以看出，在低頻條件下（比如50 Hz以下），也就是說ω0較小時(shí)，意味著和要很大，但是壓電材料的內(nèi)部等效電容 Cp很?。╩F量級），勢必要求匹配電感 L1很大（mH量級），所以會(huì)導(dǎo)致電路體積增大。本文中通過電路設(shè)計(jì)，采用諧振頻率變換電路把低頻轉(zhuǎn)換至高頻，此時(shí)要求的匹配電感值則會(huì)大大降低，從而減小了電路的體積，達(dá)到小型化的要求。如圖1所示，把壓電材料等效為一個(gè)交流電流源 iP和一個(gè)等效電容CP并聯(lián)的形式，該電路同時(shí)連接雙向開關(guān)控制電路，雙向開關(guān)控制電路產(chǎn)生的控制信號用來控制初級線圈回路的雙向開關(guān)的導(dǎo)通和閉合，該控制信號經(jīng)過波形變換后也用來控制 DC-DC變換電路中的雙向開關(guān)。雙向開關(guān)由一個(gè)n型MOSFET管和一個(gè)p型MOSFET管外加兩個(gè)二極管組成，可以保證導(dǎo)通方向的單向性。

1.2 一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的工作特性分析

圖2中L1是匹配電路的初級電感，L2是匹配電路的次級電感，M是互感，C2是次級回路的匹配電容，i1是流入初級電感的電流，i2是流出次級電感的電流。VCP(t)是壓電材料兩端電壓，VC2(t)是 C2兩端電壓，VL1(t)是L1兩端電壓，VL2(t)是L2兩端電壓。

設(shè) t0～t2是開關(guān)的一個(gè)周期，t0～t1是開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，t1～t2是開關(guān)斷開時(shí)間。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，t0＜t＜t1，簡化等效電路如圖2所示，變壓器的初級環(huán)路方程為：

圖2 開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的等效電路Fig.2 The equivalent circuit when the switch is on

當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，t1＜t＜t2，簡化等效電路如圖 3所示，變壓器的初級環(huán)路斷路，次級環(huán)路閉合。等效電容CP兩端電壓VCP為：

次級環(huán)路方程為：

圖3 關(guān)斷開時(shí)的等效電路Fig.3 The equivalent circuit when the switch is off

理想情況下，變壓器的次級電感兩端電壓VL2(t)是可以表示為：

由于R2很小，k是 變壓器的耦合系數(shù)；n是變壓器的變比。

由式（6）可知，在開關(guān)導(dǎo)通和斷開的兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，次級電感電壓VL2(t)都是呈阻尼振蕩衰減的。

在一個(gè)壓電材料輸出電壓周期T內(nèi)，通過雙向開關(guān)控制電路控制開關(guān)的閉合和斷開，使得匹配變壓器的次級電感電壓 VL2(t)變成由 m個(gè)峰峰值不同的阻尼振蕩電壓組成，這樣就把信號的主頻率由ω0轉(zhuǎn)換至，這里的

2 仿真與分析

2.1 電路仿真結(jié)果

國內(nèi)外同行對于壓電俘能接口電路研究過程也進(jìn)行過仿真[9-10]。本設(shè)計(jì)的仿真過程中壓電片的等效電容選為91 nF，等效電流源選為0.183 mA，二極管的壓降設(shè)為0.68 V，MOSFET管反向峰值漏電流設(shè)為 10 μA。

從仿真圖圖 4中可以看出，對于振動(dòng)頻率為f0=71.2 Hz的壓電元件，轉(zhuǎn)換后的輸出電壓信號頻率為f0=6.25 kHz，比信號主頻率提升了將近100倍。根據(jù)式可知在電容C2不變的情況下，電感值可減小為原來的約 10-4。匹配電感值這樣大幅度減小就會(huì)使得電路體積至少可以比一般情況下減小2/3。同時(shí)，當(dāng)負(fù)載選取200 kΩ的電阻時(shí)，能量采集的功率最大可達(dá)1.9 mW。

圖4 仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results

2.2 與一般DSSH電路比較

Lallart等[5]建立了一般DSSH電路的模型，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。根據(jù)LALLART等的研究結(jié)果，讓壓電片與一般DSSH電路連接來俘獲能量時(shí)，當(dāng)相關(guān)參數(shù)都取最優(yōu)值時(shí)，負(fù)載上能夠獲得的最大功率為

式中： 為壓電片的力因子；C0為壓電片電容；γc為考慮DC-DC變換損耗的效率因子；γ0為電感L1的翻轉(zhuǎn)系數(shù)；f0為振動(dòng)頻率；uM為恒定的振動(dòng)幅度。Lallart等的研究表明，在時(shí)，DSSH電路能量俘獲的功率最大。

圖5 一般DSSH電路結(jié)構(gòu)Fig.5 General DSSH circuit structure

為了比較減小匹配電感的同步電荷提取電路和一般DSSH電路的俘能效果，選用仿真過程中使用的同樣的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，各參數(shù)值如表1所示。

表1 模擬計(jì)算參數(shù)設(shè)定Tab.1 Simulation calculation parameter setting

根據(jù)式（7），可得：

此結(jié)果表明，同樣條件下，一般DSSH電路能夠俘獲的最大功率為1.517 mW，而減小匹配電感的同步電荷提取電路在大幅度減小電路體積的同時(shí)最大功率仍然可達(dá)1.9 mW。

3 測試結(jié)果

為了檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)中的電路實(shí)際工作的情況，把該電路與實(shí)際的俘能器件模型連接，進(jìn)行測試。

俘能器件模型如圖6（a）、（b）所示，以鈹青銅材料為基板，長、寬、高分別用C、K、G來表示。

圖6 壓電片結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Piezoelectric sheet structure model

三種不同形狀的陶瓷片的基板尺寸是固定的，設(shè)置為C×K×G=50 mm×20 mm×0.4 mm，為了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可對比性，不同形狀的陶瓷片的面積固定為300 mm2。陶瓷片的厚度都固定為0.4 mm，具體尺寸分別為：矩形壓電片長20 mm，寬7.5 mm，三角形壓電片底20 mm，高15 mm，梯形壓電片上底10 mm，下底20 mm，高10 mm。

優(yōu)化電路和一般DSSH電路分別與矩形、三角形、梯形三種結(jié)構(gòu)的壓電片連接，負(fù)載為10 kΩ電阻，測得負(fù)載端獲得電壓如圖7（a）、（b）所示。

圖7 負(fù)載端電壓測試結(jié)果Fig.7 The voltage test results of loads

從圖 7中可以看出，（a）圖中三種結(jié)構(gòu)的壓電片通過此電路收集到的能量都隨著振動(dòng)頻率的變化有相應(yīng)的改變，在頻率低于30 Hz時(shí)，三角形壓電片上的輸出電壓較高，當(dāng)振動(dòng)頻率高于30 Hz時(shí)，矩形壓電片輸出電壓最高，在40～50 Hz時(shí)，輸出電壓可達(dá)2600 mV。（b）圖中矩形壓電片兩端的輸出電壓最高，三角形壓電片的輸出電壓最低，矩形壓電片的輸出電壓最大為1850 mV。三條曲線的總體變化趨勢與（a）圖中相似，但輸出電壓最高值比（a）圖中低。說明：

（1）不同形狀的壓電片對輸出電壓的大小有影響，矩形壓電片輸出電壓最高；

（2）優(yōu)化電路中最高輸出電壓可達(dá)2600 mV，比一般DSSH電路中的最高輸出電壓1850 mV高出750 mV，優(yōu)化電路俘獲能量效率較高。

諧振頻率 f0為 40～50 Hz，與模擬計(jì)算結(jié)果中f0=71.2 Hz有偏差，這可能與俘能器件模型中壓電片與基板粘結(jié)的緊密程度，壓電片所用陶瓷材料的彈性模量等有關(guān)。

4 結(jié)論

基于壓電俘能器微型化的目的，設(shè)計(jì)了一種減小匹配電感的同步電荷提取電路，仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)可以把信號頻率轉(zhuǎn)換至6.25 kHz，為原信號頻率的近100倍，頻率的轉(zhuǎn)換意味著匹配電感值大大減小，粗略估算由匹配電感的減小可以使電路體積減小2/3。同時(shí)，仿真結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)中電路負(fù)載可獲得的最大功率為1.9 mW，高于一般DSSH電路中負(fù)載可獲得的最大功率1.517 mW。把兩種電路與實(shí)際的俘能器件連接起來測得的負(fù)載端的輸出電壓也是本設(shè)計(jì)中的值較高，這說明本設(shè)計(jì)中的減小匹配電感的同步電荷提取電路達(dá)到了提高能量收集效率的同時(shí)減小電路體積的目的，符合壓電俘能器微型化、高效率的要求。

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（編輯：陳渝生）

Design of interface circuit of piezoelectric vibration energy harvester based on frequency transformation

WANG Erping, CAI Yanyan, SUN Caixia, ZHANG Yangyang, ZHANG Jinping
(College of Information Engineering, Huanghe Science and Technology College, Zhengzhou 450006, China)

An interface circuit for double synchronized switch harvesting circuit (DSSH) which could descend matching inductance was designed, and its simulation model was established. The simulation results show that the maximum harvesting power is 1.9 mW. Compared to the general DSSH, it can reduce the size of the circuit by a factor of three. This circuit was applied to piezoelectric vibration energy harvestings with different shapes. It is found that the size and shape of the piezoelectric sheet all have impact on energy harvesting. A rectangular piezoelectric sheet at the vibration frequency of 40 Hz harvestes the most of the energy.

piezoelectric energy harvesting; interface circuit; frequency conversion; matching inductor;synchronous charge extraction; double synchronized switch inductance circuit

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.015

TM277

A

1001-2028（2017）07-0075-05

2017-06-06

張洋洋

河南省科技計(jì)劃項(xiàng)目資助（No. 172102210380; No. 142102210137）；河南省教育廳自然科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目資助（No. 14B510007）；

鄭州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助（No. 121PYFZX178）；鄭州市科技局科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目資助（No. 20140755; No. 20140615; No. 20150237）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃資助（No. 15A610010）；黃河科技學(xué)院校級科研項(xiàng)目資助（No. KYZR201305）

王二萍（1980－），女，河南汝南人，副教授，主要從事壓電器件的理論和設(shè)計(jì)研究，E-mail: 99021390@qq.com ；

張洋洋（1982－），男，河南偃師人，副教授，主要從事電子信息功能材料的研究，E-mail: 25353021@qq.com 。

時(shí)間：2017-06-29 10:24

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1024.015.html