無源同步開關(guān)電感電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫加存，盧 晨

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

當(dāng)壓電材料受到外力作用發(fā)生變形時(shí)，會(huì)在其上下表面產(chǎn)生電荷。如果把壓電材料與金屬底板做成壓電振子，讓壓電振子進(jìn)行周期性的振動(dòng)，則壓電振子會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的電壓，若把該電能貯存下來，進(jìn)行穩(wěn)壓，則可以給一些低功耗的電路進(jìn)行供電。當(dāng)壓電振子的驅(qū)動(dòng)頻率與其固有頻率一致時(shí)，壓電振子產(chǎn)生最大變形，兩端的電壓值達(dá)到最大。但因壓電振子等效電容很小，振子兩端電壓很高、電流小，電能在轉(zhuǎn)移過程中會(huì)出現(xiàn)損耗，如何使壓電能量高效地轉(zhuǎn)移是目前研究的重點(diǎn)之一。

傳統(tǒng)的壓電能量轉(zhuǎn)移技術(shù)常采用橋式整流電路（SEH）進(jìn)行電能轉(zhuǎn)移，但把壓電振子產(chǎn)生的交流信號(hào)進(jìn)行整流，因其輸出功率受負(fù)載影響很大，轉(zhuǎn)移效率較低。文獻(xiàn)[1]提出運(yùn)用填谷電路提高壓電能量轉(zhuǎn)移效率，理論與實(shí)驗(yàn)表明這一方法能在一定程上提高能量轉(zhuǎn)移效率，但幅度不大。文獻(xiàn)[2]——文獻(xiàn)[4]提出運(yùn)用同步開關(guān)與電感技術(shù)提高壓電電能轉(zhuǎn)移效率，該方法稱為同步開關(guān)電感電路（SSHI）。如果開關(guān)與電感串聯(lián)，再與壓電信號(hào)并聯(lián)后接入橋式整流電路，稱為并聯(lián)SSHI電路；如果開關(guān)與電感串聯(lián)，再與壓電信號(hào)串聯(lián)后接入橋式整流電路，稱為串聯(lián)SSHI電路，理論顯示這兩種電路都可以有效地提升壓電能量轉(zhuǎn)移效率，從而提高壓電發(fā)電機(jī)的功率。同步開關(guān)電感電路在實(shí)際使用中的關(guān)鍵問題是其現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)，目前同步開關(guān)主要分為有源與無源兩類。有源同步開關(guān)主要應(yīng)用于仿真與理論研究，一般不能用于實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]提出一種無源開關(guān)的設(shè)計(jì)方法，即設(shè)計(jì)一種峰值檢測(cè)電路對(duì)壓電電信號(hào)峰值進(jìn)行檢測(cè)，主要是運(yùn)用晶體管的導(dǎo)通與截止對(duì)峰值進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值時(shí)打開開關(guān)，但該文獻(xiàn)沒有對(duì)此類電路本身的功耗進(jìn)行分析，而且是在電壓峰值過后利用一個(gè)二極管的導(dǎo)通電壓才能打開同步開關(guān)，故不能保證在峰值時(shí)刻同步打開開關(guān)。文獻(xiàn)[6]采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)模擬壓電電壓信號(hào)，進(jìn)行SSHI電路的實(shí)驗(yàn)研究，這與實(shí)際的壓電振子產(chǎn)生的電壓能量轉(zhuǎn)移過程還是有所區(qū)別。限于無源同步開關(guān)實(shí)現(xiàn)較難，目前實(shí)際應(yīng)用中利用壓電材料進(jìn)行無源同步開關(guān)電感電路的實(shí)驗(yàn)很少。本研究利用無源磁性同步開關(guān)，運(yùn)用LTC3588集成芯片，設(shè)計(jì)無源同步開關(guān)電感電路與穩(wěn)壓電路，給負(fù)載進(jìn)行供電，設(shè)計(jì)了壓電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果可為壓電電源設(shè)計(jì)提供參考。

1 原理介紹

1.1 壓電能量產(chǎn)生原理

壓電發(fā)電機(jī)的示意圖如圖1所示，使壓電振子一端自由，一端固定，用強(qiáng)力膠將圓形磁鐵粘在自由端的金屬板上；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓形有機(jī)玻璃轉(zhuǎn)動(dòng)，有機(jī)玻璃上面貼有兩個(gè)極性相反的磁鐵，用一個(gè)無源磁性開關(guān)對(duì)著有機(jī)玻璃，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速由其驅(qū)動(dòng)電壓控制，電壓越高轉(zhuǎn)速越快。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期，有機(jī)玻璃上面的磁鐵施加給壓電振子兩種不同方向的磁力，驅(qū)動(dòng)壓電振子振動(dòng)，同時(shí)磁鐵吸合磁性開關(guān)兩次?？珊侠聿贾么判蚤_關(guān)的位置，保證磁性開關(guān)在壓電波形的正峰值與負(fù)峰值進(jìn)行閉合[7]。設(shè)兩磁鐵之間的力為F，則

圖1 壓電發(fā)電機(jī)示意圖

式中：μ為空氣中的導(dǎo)磁率；m1、m2是單位韋伯的兩個(gè)磁極的磁通量；d是兩磁極的距離。

設(shè)l、w、t分別為壓電振子的長(zhǎng)、寬、厚，tm為金屬片的厚度，tp為壓電晶體的厚度，ts為壓電晶體上表面到中心層的距離，g31為壓電常數(shù)，a為壓電振子厚度與金屬基板的厚度之比，β為金屬基板彈性模量與壓電晶體彈性模量之比，則tz可近似為[8]

1.2 能量轉(zhuǎn)移機(jī)理

傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)移電路為橋式整流電路（SHE），電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)示意圖可以將圖2的電感L1與開關(guān)J1去掉，用導(dǎo)線代替。當(dāng)壓電振子振動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的周期性電壓，通過橋式整流電路給電容充電，其能量轉(zhuǎn)移效率與壓電振子的等效電容及電容C1的值有關(guān)[1]：壓電振子的等效電容越大，C1電容值越小，能量轉(zhuǎn)移效率越高，但因C1電容上面的電壓紋波較大，要想作為電路的電源使用，則要接上穩(wěn)壓電路，該電路的功率輸出與負(fù)載電阻有關(guān)；而實(shí)際使用時(shí)，電路的負(fù)載是變化的，這導(dǎo)致實(shí)際能量轉(zhuǎn)移效率不高。

文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]分別提出了一種在壓電元件與整流橋之間串聯(lián)一個(gè)電感與一個(gè)同步開關(guān)的電路，稱為串聯(lián)同步開關(guān)電感能量提取電路（S-SSHI），如圖2所示。當(dāng)壓電振子的輸出電壓到達(dá)峰值時(shí)，同步開關(guān)閉合，壓電振子的等效電容與電感L1構(gòu)成一個(gè)LC振蕩電路，經(jīng)過1/2個(gè)振蕩周期后，壓電振子產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容器C1中，然后斷開同步開關(guān)，壓電振子兩端電壓實(shí)現(xiàn)極性翻轉(zhuǎn)，完成一個(gè)能量提取周期，這可以有效地增大壓電振子的開路電壓輸出。

圖2 串行S-SSHI電路

文獻(xiàn)[4]提出一種在壓電振子與整流橋之間并聯(lián)一個(gè)同步開關(guān)J1與電感L1的電路，稱為并聯(lián)同步開關(guān)電感電路（P-SSHI），如圖3所示。該電路的工作過程與串行電壓提取電路基本一致，當(dāng)壓電振子的變形位移達(dá)到最大值時(shí)，同步開關(guān)電路閉合，壓電振子的等效電容和電感L1形成一個(gè)LC振蕩電路，其振蕩頻率遠(yuǎn)大于壓電振子的振動(dòng)頻率。在壓電振子輸出電壓峰值時(shí)，同步開關(guān)閉合，壓電振子的電壓發(fā)生極性變化，使壓電振子在振幅減小的過程中電荷沒有減少。并行SSHI電路在壓電振子峰值沒有到來時(shí)，也給后面的電容進(jìn)行充電，保證了負(fù)載電壓的穩(wěn)定性。

圖3 并行P-SSHI電路

2 電路設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 無源同步電感壓電發(fā)電系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)的基于無源同步電感電路的實(shí)驗(yàn)裝置很難搭建，故無源同步電感電路實(shí)現(xiàn)難度很大。本研究基于小型磁性開關(guān)，利用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生無源同步開關(guān)信號(hào)，同時(shí)運(yùn)用磁力驅(qū)動(dòng)壓電振子振動(dòng)，設(shè)計(jì)并行與串行無源同步電感電路發(fā)電系統(tǒng)，電路如圖4、圖5所示，電路結(jié)合LTC3588芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。LTC3588集成了高效降壓轉(zhuǎn)換器和低噪音全波整流,構(gòu)成完整的能量收集電路，輸入電壓2.7-20 V,輸出電流達(dá)100 mA，輸出電壓可選1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V，本電路采用輸出電壓為3.3 V的電路方案，符合常用的電路電源電壓要求，負(fù)載采用100 KΩ可變電阻進(jìn)行模擬，電路圖中的J1為同步開關(guān)。

圖4 并行SSHI實(shí)驗(yàn)電路

圖5 串行SSHI實(shí)驗(yàn)電路

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

壓電振子的材料為PZT-51，單晶板結(jié)構(gòu)，選擇銅片為基板，壓電片長(zhǎng)40 mm、寬20 mm、厚0.25 mm，基板長(zhǎng)60 mm、寬20 mm、厚0.30 mm。壓電材料的性能參數(shù)為：壓電應(yīng)變常數(shù)d31為-88.1×10-12C/N，介電常數(shù)ε33T為2×10-8F/m，密度ρp為7.6×103 kg/m3，彈性模量Ep為8.2×10-10N/m2。銅的密度ρm為8.8×103kg/m3，彈性模量Em為12.4×10-10N/m2，壓電振子的等效電容為45.2 nF。壓電振子一端自由一端固定，上面用強(qiáng)力膠貼上永磁鐵，磁鐵直徑9 mm，厚度2 mm，釹鐵硼材質(zhì)為N35。采用直流工作電壓24 V電機(jī)，電壓控制轉(zhuǎn)速，兩個(gè)同樣的磁鐵貼在有機(jī)玻璃表面，磁鐵朝外的極性相反，尺寸如圖1所示，開關(guān)采用M5×30 mm小型無源磁性開關(guān)，常開型，最大開關(guān)電壓為100 V，最小檢測(cè)距離1 mm。實(shí)驗(yàn)裝置模塊如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置模塊圖

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1）壓電振子諧振頻率的確定。壓電振子固定，施加一個(gè)沖擊力使壓電振子自由振動(dòng)，采集壓電振子的振蕩波形，如圖7所示，測(cè)得兩個(gè)峰值之間時(shí)長(zhǎng)約22.5 ms，則壓電振子固有諧振頻率約44 Hz。

圖7 壓電振子諧振頻率測(cè)試圖

2）同步開關(guān)信號(hào)的產(chǎn)生。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，按圖1所示搭建實(shí)驗(yàn)裝置，把LTC3588芯片改成雙路數(shù)據(jù)采集卡，一路進(jìn)行壓電振子電壓信號(hào)采集，一路進(jìn)行同步開關(guān)信號(hào)的采集。調(diào)整直流電機(jī)的工作電源，直流電機(jī)帶動(dòng)圓形有機(jī)玻璃轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)得當(dāng)直流電機(jī)的工作電壓為12.6 V時(shí)，壓電振子達(dá)到諧振狀態(tài)，磁性開關(guān)在壓電振子的峰值進(jìn)行閉合，產(chǎn)生同步開關(guān)信號(hào)，采集的圖形如圖8所示。上面部分為同步開關(guān)閉合的電壓U1的波形，下面部分為壓電振子產(chǎn)生的電壓U2的波形。從圖8可以看出,壓電振子的頻率為44 Hz，同步開關(guān)信號(hào)的頻率為88 Hz，同步開關(guān)在壓電振子電壓信號(hào)的正負(fù)峰值精確閉合。

圖8 同步開關(guān)信號(hào)產(chǎn)生圖

3）傳統(tǒng)橋式整流電路帶負(fù)載能力測(cè)試。按圖6所示實(shí)驗(yàn)裝置，把其中的同步開關(guān)與電感去掉，選擇負(fù)載為100 KΩ，直流穩(wěn)壓電源為12.6 V，壓電振子出現(xiàn)諧振現(xiàn)象時(shí)，電壓幅值最大，波形如圖9所示。此時(shí)負(fù)載電阻上電壓為3.3 V，調(diào)小負(fù)載阻值，當(dāng)負(fù)載電壓出現(xiàn)明顯減小時(shí)，關(guān)閉直流穩(wěn)壓電源，測(cè)試得負(fù)載阻值為38.53 KΩ。

4）并行SSHI電路帶負(fù)載能力測(cè)試。按圖4所示電路圖，并行接上同步開關(guān)及電感，選擇負(fù)載為100 KΩ，直流穩(wěn)壓電源為14.6 V，測(cè)試壓電振子輸出電壓波形，如圖10所示。此時(shí)負(fù)載電阻電壓為3.3 V，調(diào)小負(fù)載阻值，當(dāng)負(fù)載電壓出現(xiàn)明顯減小時(shí)，關(guān)閉直流穩(wěn)壓電源，測(cè)試得負(fù)載阻值為22.21 KΩ。

圖10 并行SSHI電路壓電振子輸出電壓波形

5）串行SSHI電路帶負(fù)載能力測(cè)試。按圖5所示電路圖，串行接上同步開關(guān)及電感，選擇負(fù)載為100 KΩ，直流穩(wěn)壓電源為12.6 V，測(cè)試壓電振子輸出電壓波形，如圖11所示。此時(shí)負(fù)載電阻電壓為3.3 V，調(diào)小負(fù)載阻值，當(dāng)負(fù)載電壓出現(xiàn)明顯減小時(shí)，關(guān)閉直流穩(wěn)壓電源，測(cè)試得負(fù)載阻值為33.05 KΩ。

從圖9-圖11可以看出，當(dāng)采用傳統(tǒng)的橋式電路時(shí)，壓電振子的波形近似為一正弦波形，輸出的電壓峰值為9 V左右，壓電振子一直給負(fù)載供電，峰值較平滑。采用并行SSHI電路時(shí)，壓電振子在峰值時(shí)，極性突然發(fā)生跳變，同步開關(guān)斷開時(shí)，壓電振子也給負(fù)載供電，電壓峰值相對(duì)較平滑，峰值可以達(dá)到15 V左右。采用串行SSHI供電時(shí)，平時(shí)不給負(fù)載供電，壓電振子產(chǎn)生的波形峰值比較尖銳，峰值可達(dá)到17 V，在電壓峰值處，同步開關(guān)閉合，極性進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)，電壓幅值突然降低。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，采用LTC3588壓電能量收集芯片進(jìn)行3.3 V穩(wěn)壓時(shí)，傳統(tǒng)橋式電路輸出功率為0.28 mW，并行SSHI電路輸出最大功率為0.49 mW，比傳統(tǒng)橋式電路提升約75%，串行SSHI電路輸出最大功率為0.33 mW,比傳統(tǒng)橋式電路提升約18%。

圖9 橋式電路壓電振子輸出電壓波形

圖11 串行SSHI電路壓電振子輸出電壓波形

3 結(jié)論

隨著電子加工技術(shù)的發(fā)展，電路功耗一直在降低，壓電材料作為環(huán)境能量采集的一種主要方式，得到越來越廣泛的使用。本研究通過電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鐵無接觸驅(qū)動(dòng)壓電振子振動(dòng)，增加了壓電振子的使用壽命。利用小型磁性開關(guān)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁鐵接近磁性開關(guān)，使開關(guān)閉合，通過合理布置磁性開關(guān)的位置，可使磁性開關(guān)在壓電振子最大位移時(shí)進(jìn)行閉合，產(chǎn)生同步開關(guān)信號(hào)。把同步開關(guān)接入到并行SSHI與串行SSHI電路中，利用STC3588壓電能量收集芯片，進(jìn)行傳統(tǒng)橋式電路、并行SSHI電路、串行SSHI電路的帶負(fù)載能力測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，并行SSHI電路帶負(fù)載能力最強(qiáng)，傳統(tǒng)橋式整流電路帶負(fù)載能力最小。今后可在電感的數(shù)值計(jì)算、同步開關(guān)信號(hào)打開的時(shí)間、磁性開關(guān)的位置等方面進(jìn)行進(jìn)一步的理論研究，使壓電振子的能量轉(zhuǎn)移效率得到提高，從而提升壓電電源系統(tǒng)的帶負(fù)載能力。