增強(qiáng)型雙中間電容壓電能量回收電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

丁曉亮 沈輝 曲鵬超

摘要：為提高壓電振動(dòng)能量回收系統(tǒng)接口電路的回收功率，設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)型雙中間電容能量回收（E-DICH）接口電路并優(yōu)化了開關(guān)的控制電路和控制策略。建立了E-DICH的電路仿真模型，通過等效電路建模的分析方法推導(dǎo)了E-DICH的回收功率表達(dá)式;利用Multisim仿真軟件對(duì)該電路進(jìn)行建模與仿真得到E-DICH的回收功率;通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的正確性。研究結(jié)果表明，E-DICH的回收功率與負(fù)載無(wú)關(guān)，其最大回收功率約為SEH電路的6倍和SECE電路的2倍。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)能量回收;壓電效應(yīng);E-DICH

中圖分類號(hào)：TM619，TN384

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-1037（2021）01-0054-05

基金項(xiàng)目：

山東省自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：ZR2017MEE039）資助。

通信作者：沈輝，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與智能儀器。E-mail：shenhui@qdu.edu.cn

隨著微電子、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等低耗能產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛，以化學(xué)電池為其主要供能方式存在著諸多弊端[1]，化學(xué)電池存在使用壽命有限、需要定期更換和對(duì)環(huán)境存在污染等問題[2]。從環(huán)境中直接獲取能量是解決這些問題的有效方式，目前振動(dòng)能量回收的方式主要有電磁式[3]、靜電式[4]和壓電式[5]，相較于另外兩種方式，壓電式具有易于實(shí)現(xiàn)微型化和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛關(guān)注[6]。接口電路作為壓電振動(dòng)能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，對(duì)提高系統(tǒng)的能量回收效率有至關(guān)重要的作用。Kim等[7]提出使用全橋整流橋和濾波電容組成的標(biāo)準(zhǔn)能量回收（SEH）電路，SEH電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但能量回收效率較低，并且回收功率受負(fù)載影響較大[8]。為了解決這些問題，Lefeuvre等[9]提出了同步電荷提?。⊿ECE）電路，解決了回收功率受負(fù)載影響的問題。Shi等[10]在SECE電路的基礎(chǔ)上提出了一種自供電的同步電荷提取電路（SP-ESECE），該電路取消了整流橋，采用兩個(gè)極值檢測(cè)電路和兩個(gè)MOSFET實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，減小了能量損耗。Taylor等[11]提出了串聯(lián)電感同步開關(guān)（S-SSHI）電路，增加了LC振蕩電路部分，提高了壓電元件的電壓輸出，從而提高了電路的能量回收功率。Guyomar等[12]提出了類似的P-SSHI電路，S-SSHI和P-SSHI雖然獲得了較大的回收功率，但是依然存在需要進(jìn)行負(fù)載匹配的問題。基于同步開關(guān)電感的優(yōu)勢(shì)，不斷優(yōu)化SSHI電路[13]。Liang等[14]對(duì)多種電路進(jìn)行分析后，提出了一種并聯(lián)同步三次偏轉(zhuǎn)接口電路（P-S3BF），由6個(gè)MOSFET組成電流驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，通過執(zhí)行Bias-Flip動(dòng)作獲得最大回收功率。在對(duì)P-SSHI和S-SSHI電路分析之后， Hsieh等[15]通過阻抗匹配原理，引入了相位延遲的開關(guān)電感電路，提出S-SSHI-φ和P-SSHI-φ兩種電路拓頻方法。通過實(shí)現(xiàn)不同頻率下的阻抗匹配，提高了同步開關(guān)電路的提取帶寬，回收功率也提高了66%。張寶強(qiáng)等[16]設(shè)計(jì)了一種雙中間電容回收（DICH）電路，電路利用2個(gè)LC振蕩電路、一個(gè)Buck-Boost轉(zhuǎn)換器和2個(gè)中間電容組成。經(jīng)過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在恒定激振位移條件下，雙中間電容回收電路的回收功率與負(fù)載無(wú)關(guān)，其回收功率是同步電荷提取電路的2倍。徐圣[17]針對(duì)目前能量回收接口電路采集效率低、需要負(fù)載匹配等缺點(diǎn)，提出了一種并行雙中間電容器采集（P-DICH）電路。在此基礎(chǔ)上，為減少開關(guān)的數(shù)量，本文設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)型雙中間電容能量回收（E-DICH）電路，該電路使用兩個(gè)二極管來代替之前的兩個(gè)開關(guān)[17]，并設(shè)計(jì)了一種新的開關(guān)控制電路和開關(guān)控制策略，E-DICH簡(jiǎn)化了開關(guān)控制電路的復(fù)雜度優(yōu)化了開關(guān)控制策略，并提高了電路的最大回收功率。

1 增強(qiáng)型雙中間電容器能量采集（E-DICH）電路

E-DICH電路使用兩個(gè)二極管D1和D2來代替電路前端的兩個(gè)開關(guān)，以減少電路中的開關(guān)數(shù)量，使控制電路更加簡(jiǎn)單，如圖1所示。相較于之前的開關(guān)控制模塊，E-DICH電路中去掉了激光位移傳感器和單片機(jī)部分。

L1C0C1振蕩電路由壓電元件受夾電容C0、電感器L1、同步開關(guān)S1、二極管D1和中間電容器C1組成;L1C0C2振蕩電路部分由壓電元件受夾電容C0、電感器L1、同步開關(guān)S1、二極管D2和中間電容器C2組成。Buck-Boost電路由開關(guān)S2、電感L2、二極管D3和濾波電容器Cr組成，R為負(fù)載電阻。經(jīng)過理論推導(dǎo)，得到E-DICH電路的最大能量回收功率

PMAX=4ωC0π×γ431-γ23-γ2αUMC0-VD2η（1）

其中，Pmax為最大回收功率，UM為振動(dòng)位移幅值，ω為角頻率，α為力因子，VD為單二極管壓降，γ為電路電壓翻轉(zhuǎn)系數(shù)，η為Buck-Boost電路效率。

在不考慮整流橋功率損失的情況下，通過Matlab數(shù)值計(jì)算得到SEH、SECE、P-SSHI、S-SSHI和E-DICH電路的回收功率，如圖2所示。E-DICH電路參數(shù)如表1所示。

2 懸臂梁振動(dòng)能量回收開關(guān)控制電路

懸臂梁振動(dòng)能量回收結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。壓電元件PZT2與E-DICH電路連接，壓電元件PZT1作為位移傳感器與開關(guān)控制電路連接。開關(guān)控制電路由信號(hào)調(diào)理電路、極值檢測(cè)電路和開關(guān)電路組成，如圖4所示。信號(hào)調(diào)理電路由分壓電路和電壓跟隨器組成。通過調(diào)節(jié)R4和R5的阻值實(shí)現(xiàn)不同比例分壓，通過電壓跟隨器U1A實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換。

PZT1上的電壓信號(hào)被分為兩個(gè)通道同步輸出，一路接入到超低功耗電壓比較器U4的反相輸入端，另一路通過RC無(wú)源低通濾波器接入到電壓比較器U4的同相輸入端。由于兩個(gè)信號(hào)之間存在相位差，在位移極值的瞬間，電壓比較器被觸發(fā)，其輸出電壓翻轉(zhuǎn)。此外，反相器U5將電壓比較器U4的輸出反相。在開關(guān)控制電路中，R6是一個(gè)電位器。因此，通過改變電阻值R6可以很容易地調(diào)節(jié)兩路信號(hào)的相位差。電壓比較器U4的同相輸入端波形、反相輸入端波形和輸出波形如圖5所示，極值檢測(cè)電路的信號(hào)輸出如圖6所示。

3 E-DICHD電路仿真

振動(dòng)能量回收電路與PZT2連接，開關(guān)控制電路與PZT1連接。E-DICH仿真電路如圖7所示。

負(fù)載直流電壓Vdc和壓電元件電壓VC0可以通過示波器觀察到，如圖8所示。瓦特表測(cè)量的電路最大回收功率為462.8μW。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

懸臂梁實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示。懸臂梁的一端固定，另一端自由，兩個(gè)壓電片元件粘貼在懸臂梁的固定端根部上表面。懸臂梁的自由端下表面吸附放置一根圓柱形磁棒，線圈分布在磁棒的周圍。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率和幅值恒定的信號(hào)驅(qū)動(dòng)懸臂梁振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)如表2所示。

分別對(duì)SEH、SECE、P-SSHI、S-SSHI和E-DICH五種電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到五種壓電振動(dòng)能量回收電路在不同負(fù)載電阻值下的輸出功率，結(jié)果如圖10所示。

SEH、SECE、P-SSHI、S-SSHI和E-DICH電路的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰炕厥展β市∮诶碚摻Y(jié)果。這是因?yàn)槔碚撚?jì)算假設(shè)輸出電壓保持不變，不考慮整流橋的損耗。在實(shí)驗(yàn)中，整流橋的導(dǎo)通壓降和負(fù)載輸出電壓的波動(dòng)導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)誤差的產(chǎn)生。同時(shí)，由于受系統(tǒng)阻尼的影響，輸出功率曲線不是一條直線。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，E-DICH電路的能量回收功率不受負(fù)載電阻的影響，其能量回收功率約為SECE電路的1.9倍，SEH電路的5.4倍，與理論結(jié)果一致。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)型雙中間電容能量回收電路，通過Multisim電路建模仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了E-DICH的可行性。E-DICH具有更高的能量回收功率和更為簡(jiǎn)化的開關(guān)控制電路，減小了電路的體積。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在等位移幅值激振的條件下，E-DICH的能量最大回收功率相較于SEH提高了440%，相較于SECE提高了90%。同時(shí)，E-DICH的回收功率不受負(fù)載的影響。

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