一種短路式電容分裂結(jié)構(gòu)的壓電能量采集整流器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出的領(lǐng)域，特指一種短路式電容分裂結(jié)構(gòu)的壓電能量采集整流器。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1表示的是采用電感同步開(kāi)關(guān)能量采集技術(shù)的壓電能量采集電路。該電路采用全橋結(jié)構(gòu)，使用被動(dòng)二極管和同步開(kāi)關(guān)將壓電輸出端的交流電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)載可用的直流電壓，并且有效地翻轉(zhuǎn)壓電端電容電壓，減少電荷浪費(fèi)。
[0003]該電路因?yàn)椴捎帽粍?dòng)二極管，迫使壓電端的輸出電壓即整流器的輸入必須高于兩個(gè)被動(dòng)二極管電壓降之和，大約為1.4伏，使得該整流器不適用于小型壓電能量采集。另外，該電路需要一個(gè)精確的同步開(kāi)關(guān)時(shí)序控制電路，控制同步開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)閉，不精確的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)刻和導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)將嚴(yán)重影響整流器的提取效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種短路式電容分裂結(jié)構(gòu)的壓電能量采集整流器。解決方案為:兩個(gè)有源二極管，其被連接以檢測(cè)流經(jīng)的電流的過(guò)零點(diǎn)，一旦電流過(guò)零點(diǎn)改變輸出的一位開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，該信號(hào)作為有源二極管的輸出被送到電壓過(guò)零檢測(cè)及數(shù)字電路控制模塊的輸入端；以及一個(gè)峰值檢測(cè)及數(shù)字電路控制模塊，其被連接以接收所述有源二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，并檢測(cè)出現(xiàn)在壓電端的電壓過(guò)零點(diǎn)，輸出優(yōu)化脈寬的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)被送到開(kāi)關(guān)的輸入控制端；以及一個(gè)開(kāi)關(guān)，其被連接到電壓過(guò)零檢測(cè)及數(shù)字電路控制模塊的輸出端以接收脈沖信號(hào)，完成導(dǎo)通/截止操作；以及一個(gè)電感，其與壓電器件串聯(lián)以在壓電器件輸出電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)與壓電端電容、開(kāi)關(guān)一起形成一個(gè)諧振腔，該電感一端與壓電設(shè)備一端相連，電感的另一端與所述的一個(gè)有源二極管的陽(yáng)極、一個(gè)有源二極管的陰極和開(kāi)關(guān)的一端相連，壓電設(shè)備的另一端分別與開(kāi)關(guān)的另一端并與兩個(gè)堆疊電容的堆疊處相連，堆疊電容的底、頂端分別與一個(gè)有源二極管的陽(yáng)極和一個(gè)有源二極管的陰極相連接到負(fù)載。
[0005]本發(fā)明提出的一種短路式電容分裂結(jié)構(gòu)的壓電能量采集整流器，其優(yōu)點(diǎn)在于:
[0006]1.將電感同步開(kāi)關(guān)采樣技術(shù)融入無(wú)橋型電容分裂的整流器結(jié)構(gòu)中，相對(duì)于全橋結(jié)構(gòu)，減少了一個(gè)二極管的前向電壓降。
[0007]2.使用有源二極管，進(jìn)一步降低前向電壓降，并且能夠自動(dòng)檢測(cè)電感電流過(guò)零點(diǎn)。
[0008]3.能夠最優(yōu)化地翻轉(zhuǎn)壓電端的電容電壓。
[0009]4.有一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字電路控制模塊，其降低了使用電感同步開(kāi)關(guān)采樣技術(shù)所帶來(lái)的額外的功耗，從而增加了負(fù)載端或者儲(chǔ)能端的凈能量。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是典型的采用電感同步開(kāi)關(guān)能量采集技術(shù)的壓電能量采集電路；
[0011]圖2是本發(fā)明公開(kāi)的短路式電容分裂結(jié)構(gòu)的壓電能量采集電路示意圖；
[0012]圖3是本發(fā)明公開(kāi)的具有自動(dòng)翻轉(zhuǎn)時(shí)間的短路式電容分裂結(jié)構(gòu)的壓電能量采集電路原理不意圖；
[0013]圖4是本發(fā)明公開(kāi)的整流器關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)的波形時(shí)序示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0015]如圖1、圖2和圖3所示，壓電傳導(dǎo)器被等效為一個(gè)電路模型，該電路模型包括并聯(lián)的一個(gè)電流源ip、一個(gè)電阻Rp和一個(gè)電容Cp ο假設(shè)電流源可以表不為
[0016]ip=Ip sin(2jrfpt)(1)
[0017]其中幅度Ip與振動(dòng)源的加速度大小相關(guān)，fp對(duì)應(yīng)振動(dòng)源的振動(dòng)頻率。此外，因?yàn)殡娮鑢p的值很大在兆級(jí)別，所以在分析中可以忽略不計(jì)。假設(shè)負(fù)載電容α的值很大，使得Vrect可以看成一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，同時(shí)電容Cl與C2的值相等，選取的電容值以保持其兩端的電壓近似穩(wěn)定。
[0018]圖2所示為本發(fā)明整流器基本電路結(jié)構(gòu)，相對(duì)于圖1所示的全橋結(jié)構(gòu)，該電路減少了一個(gè)二極管的前向電壓降，有利于小型壓電采集器的應(yīng)用。
[0019]圖3為本發(fā)明的整流器，其基本運(yùn)行原理可以參考圖4，在t4時(shí)刻之前，開(kāi)關(guān)SW截止，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，一個(gè)ip正半周期的電流回路A-B-C-Vrect-A形成。由壓電端產(chǎn)生的電荷通過(guò)此路徑傳遞到負(fù)載端?，F(xiàn)在，電流在t4時(shí)刻變負(fù)，該時(shí)刻被有源二極管D1檢測(cè)，D1被關(guān)斷，開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)G1由高變低，該信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字模塊，致使開(kāi)關(guān)SW導(dǎo)通。在t4到t5時(shí)間內(nèi)，一個(gè)回路為A-B-C-A的LC諧振腔形成，存儲(chǔ)在電容CP的能量通過(guò)該回路傳輸?shù)诫姼蠰中。在t5時(shí)刻，CP中儲(chǔ)存的全部能量都被傳輸至電感L，此時(shí)壓電設(shè)備兩端的電壓VBA為0。該壓電端的過(guò)零點(diǎn)被壓電電壓過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字模塊，致使SW再次截止，此時(shí)LC諧振腔的回路變?yōu)锳-B-C-Vrect-A。因此，在t5到t6時(shí)間內(nèi)，電感中的一部分能量被傳輸?shù)截?fù)載端，同時(shí)另一部分能量傳回壓電端，并在其壓電端的電容&兩端產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)的電壓。由于此時(shí)D1位于諧振環(huán)路中，電流只能沿A—B—C—Vrect的方向流動(dòng)，在電感中的所有能量耗完后，電容電壓翻轉(zhuǎn)過(guò)程在t6時(shí)刻自動(dòng)終止。然后，電流iP進(jìn)行反向充電，直到壓電端電壓大于C2兩端的電壓加上一個(gè)有源二極管的電壓降的和，一個(gè)iP負(fù)半周期的電流回路A-D-C-B-A形成。同樣的工作原理，在負(fù)半周期有一個(gè)類似的過(guò)程，只不過(guò)用來(lái)翻轉(zhuǎn)電壓的諧振腔經(jīng)過(guò)路徑A-D-C-B。下個(gè)電流周期重復(fù)整個(gè)過(guò)程。
[0020]綜上所述，本發(fā)明公開(kāi)的整流器融入了電感同步開(kāi)關(guān)采樣技術(shù)，并且有一個(gè)簡(jiǎn)單的控制電路控制壓電能量采集器的電容電壓最優(yōu)化翻轉(zhuǎn)，無(wú)橋結(jié)構(gòu)和有源二極管的使用減少了導(dǎo)通損耗，最終增加了負(fù)載端或者儲(chǔ)能端的凈能量。
[0021]雖然本發(fā)明已相對(duì)有限數(shù)量的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但受益于此公開(kāi)的本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解由此產(chǎn)生的多種修改和變化。所附權(quán)利要求旨在涵蓋屬于本發(fā)明真正精神和范圍的此類修改和變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種短路式電容分裂結(jié)構(gòu)的壓電能量采集整流器，包括: 兩個(gè)有源二極管，其被連接以檢測(cè)流經(jīng)的電流的過(guò)零點(diǎn)，一旦電流過(guò)零點(diǎn)改變輸出的一位開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，該信號(hào)作為有源二極管的輸出被送到電壓過(guò)零檢測(cè)及數(shù)字電路控制模塊的輸入端；以及 一個(gè)峰值檢測(cè)及數(shù)字電路控制模塊，其被連接以接收所述有源二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，并檢測(cè)出現(xiàn)在壓電端的電壓過(guò)零點(diǎn)，輸出優(yōu)化脈寬的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)被送到開(kāi)關(guān)的輸入控制端；以及 一個(gè)開(kāi)關(guān)，其被連接到電壓過(guò)零檢測(cè)及數(shù)字電路控制模塊的輸出端以接收脈沖信號(hào)，完成導(dǎo)通/截止操作；以及 一個(gè)電感，其與壓電器件串聯(lián)以在壓電器件輸出電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)與壓電端電容、開(kāi)關(guān)一起形成一個(gè)諧振腔，該電感一端與壓電設(shè)備一端相連，電感的另一端與所述的一個(gè)有源二極管的陽(yáng)極、一個(gè)有源二極管的陰極和開(kāi)關(guān)的一端相連，壓電設(shè)備的另一端分別與開(kāi)關(guān)的另一端并與兩個(gè)堆疊電容的堆疊處相連，堆疊電容的底、頂端分別與一個(gè)有源二極管的陽(yáng)極和一個(gè)有源二極管的陰極相連接到負(fù)載。2.如權(quán)利要求1所述的有源二極管當(dāng)其陰極電壓高于陽(yáng)極時(shí)，有源二極管截止，開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)輸出為一位低電平，反之，二極管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)為高。3.如權(quán)利要求1所述的電壓過(guò)零檢測(cè)及數(shù)字電路控制模塊，當(dāng)檢測(cè)到任意一個(gè)所述有源二極管截止，即檢測(cè)到此時(shí)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)的改變，輸出為高電平，同步開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，此時(shí)使能電壓過(guò)零檢測(cè)電路，一旦檢測(cè)到壓電端電壓過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零檢測(cè)電路關(guān)閉，輸出為低電平，同步開(kāi)關(guān)截止。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種短路式電容分裂結(jié)構(gòu)的壓電能量采集整流器，包括兩個(gè)有源二極管、兩個(gè)電容、一個(gè)電感、一個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)電壓過(guò)零檢測(cè)及數(shù)字電路控制模塊。其中一對(duì)有源二極管在壓電端輸出電流的驅(qū)動(dòng)下，自動(dòng)完成互補(bǔ)帶死區(qū)時(shí)間的導(dǎo)通/截止操作，一旦二極管檢測(cè)到流經(jīng)的電流從正到負(fù)的過(guò)零點(diǎn)，該二極管被關(guān)斷，另一個(gè)二極管被打開(kāi)，每個(gè)有源二極管輸出與之對(duì)應(yīng)的一位開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)。其中兩個(gè)電容堆疊放置，分離正/負(fù)半周期輸出，并維持相對(duì)穩(wěn)定的輸出電壓。其中一個(gè)電感與壓電設(shè)備串聯(lián)，然后與開(kāi)關(guān)并聯(lián)，開(kāi)關(guān)短暫導(dǎo)通翻轉(zhuǎn)壓電端電容電壓。其中電壓過(guò)零檢測(cè)及數(shù)字電路控制模塊接受所述有源二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，并且檢測(cè)壓電端電壓過(guò)零點(diǎn)，最優(yōu)化地控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)。
【IPC分類】H02M7/12
【公開(kāi)號(hào)】CN105490563
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610038198
【發(fā)明人】鄺繼順, 吳了, 尤志強(qiáng), 凌純清
【申請(qǐng)人】湖南大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2016年1月21日