朋焱盛施 閣楊燕梅傅瀟楓劉良康朱晉楊李 青

(中國計量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點成為連接物理世界與互聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)鍵技術(shù)[1]。如何高效的為這些數(shù)量龐大的無線傳感節(jié)點實現(xiàn)長壽命的自我供電已成為目前研究的熱點。由于振動能量廣泛存在，所以國內(nèi)外研究人員對環(huán)境振動能量采集開展了大量的研究。環(huán)境振動能量采集方法一般有3種:電磁式、靜電式和壓電式，其中壓電式振動能量因其具有能量密度高、結(jié)構(gòu)簡單、不受電磁干擾、易于集成化等優(yōu)點而備受青睞[2－3]。

壓電式振動能量俘獲是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將振動能轉(zhuǎn)換為電能的一種過程。由于壓電元件輸出的是交流電，因此，在壓電元件與負(fù)載之間需要具有整流功能的接口電路。最簡單的接口電路是標(biāo)準(zhǔn)的能量收集電路SEH(Standard Energy Harvesting)，該電路由整流橋和存儲電容組成。但這種電路采集效率低，且采集功率受存儲電容電壓和負(fù)載大小的影響。

為提高能量采集效率，研究者們提出了多種非線性能量采集電路。如Lefeuvre等人[4－6]提出了同步開關(guān)電路SSHI(Synchronized Switch Harvesting on Inductor)和同步電荷提取電路SECE(Synchronous Electric Charge Extraction)。而后，許多研究學(xué)者對這些策略進(jìn)行了改進(jìn)。如Du等人[7]提出了一種新的冷啟動SSHI接口電路，該電路動態(tài)地增加了壓電傳感器在冷狀態(tài)下產(chǎn)生的開路電壓，可實現(xiàn)低激勵水平下SSHI電路的啟動。Li等人[8]提出一種具有并聯(lián)SSHI整流器和最大功率點跟蹤(MPPT)的壓電能量采集系統(tǒng)，與理想的SEH電路相比，其能量提取總量增加了417%。Wu等人[9]提出了一種壓電能量采集電路，該電路集成了同步開關(guān)電感采集電路和有源整流器，可確保電容器電壓在最佳時刻翻轉(zhuǎn)，無需調(diào)整開關(guān)時間。Fang等人[10]基于串聯(lián)同步開關(guān)電感采集技術(shù)(Series-SSHI)和最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù)，提出了一種有效的壓電能量收集電路。該電路通過連續(xù)的能量采集過程來提高采集效率，但這種效率的提高需要電路在最優(yōu)匹配負(fù)載時的最大功率點處才可實現(xiàn)。與SSHI電路相比，SECE采集電路具有輸出功率與負(fù)載無關(guān)的特性優(yōu)勢，由此引起了廣大學(xué)者的興趣。如Shi等人[11]提出了一種高效的自供電同步電荷提取COMS電路，專用于壓電能量采集。Morel等人[12]提出了一種優(yōu)化的SECE接口電路，與理想SEH電路相比，該接口電路所采集的能量提高了4.2倍?；赟ECE技術(shù)，Xia等人[13]提出了同步電荷部分提取(SECPE)技術(shù)，解決了壓電設(shè)備在強(qiáng)耦合狀態(tài)下性能降低的問題。此外，近年來還有一些非線性能量采集電路被提出。如Shi等人[14]提出一種擬最大功率點的能量管理電路，該電路通過將其自身保持在最大功率點附近區(qū)域以提高能量采集效率。Du等人[15]提出一種用于壓電能量采集的集成SSHC整流器，將壓電元件分為多個區(qū)域，該結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)低頻激勵下的顯著升壓。

但是實際應(yīng)用中，由于單個壓電能量采集往往是不足以供給無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作的，因此，很多場合采用多個壓電元件來采集能量。眾多學(xué)者對多輸入能量采集技術(shù)進(jìn)行了研究。Wang等人[16]提出了一種基于Buck結(jié)構(gòu)的多輸入SECE接口電路。Shareef等人[17]提出了一種無整流器的AC－DC轉(zhuǎn)換電路，該電路具有多個輸入端口。Meng等人[18]提出一種能量管理芯片，該芯片可從多個壓電元件中采集能量。以上接口電路的提出一定程度上解決了多輸入能量采集的問題，但多是通過電感的分時復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)，而且在壓電采集時存在一定的采集延時導(dǎo)致采集效率降低。針對這些情況，本文提出了一種無相位滯后的高效多輸入同步電荷提取電路(MI-SECE)，該電路可同時從多個壓電換能器中采集能量，且不會出現(xiàn)因相位滯后造成延時采集的問題。

1 壓電元件的等效模型及接口電路分析

1.1 壓電等效電路模型

壓電元件受到外力作用時會發(fā)生形變，引起壓電元件內(nèi)部電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生電流。壓電片的機(jī)電耦合等效模型如圖1(a)所示[19]。其中，LM代表機(jī)械質(zhì)量，CM代表機(jī)械剛度，RM代表機(jī)械損失。在近諧振情況下，壓電元件可以建模為一個簡單的非耦合等效模型，如圖1(b)所示，一個由正弦電流源IP、電容CP和電阻RP組成的電路，其中CP代表壓電材料的受夾電容。

圖1 壓電元件(PZT)等效電路和簡化電路模型

1.2 同步電荷提取(SECE)電路

SECE電路如圖2所示，它是由全橋整流器和Buck-Boost電路組成。初始狀態(tài)下，開關(guān)S斷開，電流源IP給受夾電容CP充電，電容兩端電壓VP上升。當(dāng)電容電壓達(dá)到峰值時(此時電流IP過零)，閉合開關(guān)S，此時電感L與受夾電容CP形成LCP振蕩回路，儲存在電容CP上的能量短時間內(nèi)轉(zhuǎn)移到電感L上，電容CP兩端電壓VP迅速降為零。能量完成轉(zhuǎn)移后，開關(guān)S再次斷開，此時壓電元件(PZT)開路，電感L上的能量通過續(xù)流二極管轉(zhuǎn)移到存儲電容Cr上。

圖2 理想SECE電路

工作過程中，電流IP與電容CP兩端電壓VP方向總是保持同正或同負(fù)。若外界激勵不變，即電流IP幅值、頻率不變，那么每次開關(guān)S閉合時，從壓電換能器提取的能量就不變?？偺崛∧芰坎蛔冃纬闪薙ECE電路輸出功率與負(fù)載大小無關(guān)的特性。

2 電路設(shè)計與原理分析

2.1 單輸入同步電荷提取電路

本文提出的無相位滯后的SECE電路如圖3所示，主要包括全橋整流電路、峰值檢測電路、電壓過零檢測電路、D觸發(fā)器、傳輸控制電路和Buck-Boost電路。初始階段，電流源IP給受夾電容CP充電，當(dāng)電容CP峰值電壓VPmax來臨時，峰值檢測電路輸出高電平，D觸發(fā)器工作輸出高電平，M12導(dǎo)通，M10、M11斷開，儲存在CP上的能量通過電感L1、傳輸控制電路、M12轉(zhuǎn)移到電感L2上，如回路i2所示。電感L1的存在保證電容CP存儲能量的完全提取，M10可防止電流通過M11漏、極間的寄生二極管造成泄露。當(dāng)能量提取完成，VP下降為零，電壓過零檢測電路輸出低電平，此時D觸發(fā)器重置為零，M12斷開，M10、M11導(dǎo)通，PZT處于開路狀態(tài)。儲存在電感L2上的能量通過續(xù)流二極管D3、MOS管M10、M11轉(zhuǎn)移到電容Cr上，如回路i3所示。理想工作狀態(tài)下的波形如圖4所示，其中Q表示D觸發(fā)器輸出波形，P表示峰值檢測電路輸出波形，Z表示電壓過零檢測電路輸出波形。

圖3 提出的單輸入無相位滯后的SECE電路

圖4 理想狀態(tài)下電路工作波形

由SECE電路工作過程分析與圖4可知，除了短暫的能量提取時間外，壓電元件大部分時間處于斷開狀態(tài)。能量提取時，電流源恰好處于電流過零狀態(tài)，沒有向外輸出電流。即能量提取周期內(nèi)，電流源IP始終僅向電容CP·充電，從而可得到

式中:α表示壓電元件的壓電應(yīng)力因子，u表示壓電元件的位移，uM表示壓電元件位移最大值。

可得到SECE電路的平均功率為:

式中:ω表示等效電流源角頻率。

2.2 多輸入同步電荷提取電路(MI-SECE)

由SECE電路工作過程可知，每個PZT能量提取周期內(nèi)，電感占用時間很短，僅有1/4個LCP諧振周期。不同時間段內(nèi)，多個PZT能量的提取可以通過共享電感實現(xiàn)。然而，在某些情景中，如多個PZT輸出電壓同時達(dá)到峰值，需要同時提取，或輸出電壓僅存在極小的相位差時，分時復(fù)用共享電感的方法不起作用。

當(dāng)多個PZT存在極小相位差時，可能存在相位超前或滯后的情況。將多個PZT提取電路進(jìn)行簡單的并聯(lián)，本質(zhì)上形成了多PZT并聯(lián)再與電感串聯(lián)的電路連接方式。傳統(tǒng)的提取方式是先到先得，該方式的實現(xiàn)需要在PZT輸出的高低電壓之間設(shè)置控制電路，這就增加了電路的復(fù)雜度且難以實現(xiàn)。

理想的提取方式是電感能夠自適應(yīng)的從多PZT中連續(xù)提取能量。假設(shè)當(dāng)兩個PZT輸出電壓同時達(dá)到峰值時，輸出電壓高的PZT先進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，待輸出電壓降到低PZT的電壓時，兩個PZT中的能量同時轉(zhuǎn)移到電感中?；诖耍疚奶岢隽藷o延時高效采集的多輸入同步電荷提取電路(MI-SECE)，如圖5所示。文中僅以兩個PZT的能量采集進(jìn)行說明。D觸發(fā)器的輸出控制信號分別通過與門、或門進(jìn)行并聯(lián)。若出現(xiàn)多路采集時，采用多輸入的與門和或門進(jìn)行控制。

圖5 無延時高效采集的MI-SECE

3 電路仿真分析

對所提出的無相位滯后的SECE電路通過LT spice軟件進(jìn)行仿真分析。仿真過程中，通過參數(shù)設(shè)置，PZT兩端輸出電壓VP為14 V，如圖6所示。圖6 為PZT兩端電壓和D觸發(fā)器輸出控制信號波形及電感電流波形。由于PZT大部分時間處于開路狀態(tài)，故電感上大部分時間是沒有電流的。當(dāng)電壓VP達(dá)到峰值時，D觸發(fā)器輸出一個觸發(fā)信號，傳輸控制電路導(dǎo)通，電感產(chǎn)生一個電流脈沖。從局部放大圖可以看出，當(dāng)PZT上的能量轉(zhuǎn)移完成，傳輸控制電路關(guān)閉，電感L2上的能量通過續(xù)流二極管向電容Cr轉(zhuǎn)移。從仿真波形不難看出，從電容電壓VP達(dá)到峰值，到觸發(fā)信號輸出，再到電感產(chǎn)生電流脈沖，幾乎是瞬時完成，沒有延時產(chǎn)生。

為研究所提出接口電路在能量俘獲效率方面的性能，將接口電路在不同負(fù)載下的輸出功率進(jìn)行了仿真測試，并與同等條件下的SEH電路進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，在負(fù)載電阻較小時，SEH電路與所提出接口電路輸出功率均較低。這是由于在低負(fù)載時，輸出電壓也偏低，各二極管導(dǎo)通壓降和MOS管閾值所占比重較大，從而對電路輸出功率影響較大。當(dāng)負(fù)載電阻大于51 kΩ后，所提出電路的輸出功率穩(wěn)定在2.94 mW左右，對比而言，SEH電路輸出功率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，即SEH電路輸出功率受負(fù)載影響較大。所提出MI-SECE電路的最大輸出功率是SEH電路的4倍，且基本不受負(fù)載影響，這也表明MI-SECE電路在振動能量俘獲方面具有一定的高效性。

圖7 所提出電路與SEH電路的比較

為研究多PZT工作條件下，所設(shè)計電路的采集效果，利用LT spice仿真了存在相位差下的電路工作效果。當(dāng)PZT1、PZT2完全同相位時，如圖8(a)所示，電容CP1、CP2電壓同時達(dá)到峰值，并一起進(jìn)行能量的釋放轉(zhuǎn)移，直至能量降為零。當(dāng)PZT1、PZT2存在相位差(PZT2相位超前PZT1)，如圖8(b)所示，CP2能量轉(zhuǎn)移過程尚未結(jié)束，CP1電壓到達(dá)峰值時。此時CP2能量轉(zhuǎn)移過程中止，CP1能量開始向電感轉(zhuǎn)移，當(dāng)CP1、CP2電壓相等時，CP2能量再次開始轉(zhuǎn)移。從仿真結(jié)果可知，CP1、CP2上的能量均能轉(zhuǎn)移到電感上，且沒有能量回流損失。

圖8 電感L2電流的仿真波形

4 實驗結(jié)果與分析

為驗證所提出電路的性能，我們制作了電路板，并搭建了實驗平臺進(jìn)行了測試，如圖9所示。其中，電路相關(guān)元器件型號及參數(shù)如表1所示。

圖9 能量俘獲實驗平臺

表1 元器件型號及參數(shù)

實驗平臺主要由信號發(fā)生器(RIGOL DG3121A)，功率放大器(GF－20W)，激振器，示波器(RIGOL DS1104)，兩個PZT(型號參數(shù)一致)和電路板組成。PZT作為懸臂梁，其一端固定在振動臺，另一端為自由端。在PZT的自由端鉆兩個小孔，加裝螺釘螺帽作為質(zhì)量塊，通過增減螺帽的數(shù)量調(diào)節(jié)換能器的固有頻率。信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號，經(jīng)功率放大器增強(qiáng)后，傳輸?shù)郊ふ衿髦校蛊洚a(chǎn)生正弦振動并驅(qū)動PZT變形從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。PZT的正負(fù)極分別通過導(dǎo)線引出與電路的輸入端相連，即PZT輸出電能作為電路的輸入能量，通過電路將該能量提取到電容中，即電容存儲的能量即為電路輸出能量。通過示波器監(jiān)測能量提取過程中的電壓波形。

調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出頻率，當(dāng)振動頻率為16 Hz時，PZT輸出電壓為14 V，與仿真模擬輸入一致。此時，換能器進(jìn)入近似諧振狀態(tài)，PZT的形變量達(dá)到最大，即開路電壓最大。此時，PZT兩端電壓輸出波形與仿真波形基本吻合，如圖10所示。PZT將機(jī)械振動能轉(zhuǎn)換為電能，通過能量提取電路將電能儲存到電容中，單個周期內(nèi)，電容儲存的能量與壓電元件輸出能量之比，即為電路提取功率。該參數(shù)是判斷電路性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。分別同時測量一個周期內(nèi)PZT兩端輸出電壓和存儲電容電壓。

圖10 換能器工作狀態(tài)下實測波形

根據(jù)公式

可求得電路提取效率為90.01%，其中，Vr1、Vr0分別表示一個周期內(nèi)儲存電容Cr終止時刻、初始時刻的電壓，ΔE表示PZT輸出能量。由于每個周期當(dāng)PZT電壓從0上升到最大時，電路提取一次，即電容充電一次，故VP1、VP0分別表示PZT峰值電壓和初始電壓0。

本文所設(shè)計接口電路旨在將壓電元件形變產(chǎn)生的電能提取到存儲電容中。主要考慮壓電元件輸出電能到儲能端的提取及接口電路的損耗。由于振動臺的作用是模擬環(huán)境中的振動使壓電元件產(chǎn)生形變，僅作為一個激勵，故對于其產(chǎn)生損耗本文不做考慮。接口電路的能量損耗主要是二極管和MOS管的導(dǎo)通閾值及各元器件內(nèi)阻的存在產(chǎn)生的。

為研究負(fù)載對電路輸出功率的影響，本文換用不同的負(fù)載分別對電路輸出功率進(jìn)行了測試。圖11為所測得的電路輸出功率隨負(fù)載變化的曲線，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比。由圖可見，在低負(fù)載區(qū)域電路輸出功率較低，隨著負(fù)載的增大，輸出功率逐漸升高，當(dāng)負(fù)載電阻大于51 kΩ時，輸出功率基本保持不變。這是由于在低負(fù)載時，電路輸出電壓較低，由二極管導(dǎo)通壓降和各元器件內(nèi)阻消耗的能量較大。當(dāng)負(fù)載增大后，電路輸出電壓升高，消耗在二極管及各元器件內(nèi)阻上的能量相對降低。

圖11 電路輸出功率隨負(fù)載變化曲線

從整體上看，電路實驗測得的輸出功率低于仿真所得輸出功率，但波形變化趨勢與仿真結(jié)果保持一致。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果存在差異的主要原因在于仿真時采用了理想元器件，忽略了元器件所含內(nèi)阻的消耗，如電感器件除存儲能量外自身會消耗一部分能量。通過實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比可知，兩者的結(jié)果基本吻合，體現(xiàn)了所提出電路的有效性。

為了研究兩個PZT相位差較小時電路的工作情況，使用兩個型號參數(shù)完全一致的PZT，并微調(diào)PZT自由端的質(zhì)量塊(螺釘)，用示波器觀察電路輸出波形。實測電感L2電流波形如圖12所示，與仿真波形吻合。由此可知，本文所提出的無延時高效采集的SECE電路可擴(kuò)展為多輸入SECE電路(MI-SECE)，并且可同時完成多壓電換能器的能量采集工作。

圖12 電感L2電流波形

將所提出電路與相關(guān)文獻(xiàn)PEH電路的性能進(jìn)行比較，詳細(xì)情況如表2所示。本文所提出的電路通過峰值檢測電路的設(shè)計，使能量提取效率高達(dá)90.01%；而文獻(xiàn)[9]中，Wu等人通過集成SSHI電路和簡化控制器，降低電路的功耗，實現(xiàn)了85%的提取效率，與本文所提出電路相比，依舊較低；文獻(xiàn)[14]中，Shi等人基于擬最大功率點所提出的功率管理電路及其間歇式工作模式，提高了振動能量的收集效率，但同時復(fù)雜化的電路增加了能量消耗；文獻(xiàn)[17]中，Shareef等人所提出的用于多PEH采集的無整流AC－DC接口電路，盡管其低功耗控制電路節(jié)約了能量，但提取效率僅為79%，由于電感的分時復(fù)用，無法實現(xiàn)多個振動能量的同時采集。因此，本文所提出MI-SECE電路不僅保持了較高的能量俘獲效率，且實現(xiàn)了多個PZT能量的同時采集，具有較好的能量利用性。

表2 相關(guān)文獻(xiàn)PE能量收集電路的比較

5 結(jié)論

本文提出一種無相位滯后高效采集的SECE電路，由整流橋、峰值檢測電路、電壓過零檢測電路、傳輸控制電路和Buck-Boost電路組成。峰值檢測電路輸出與電壓過零檢測電路輸出分別作為D觸發(fā)器的時鐘信號和輸入信號，觸發(fā)器輸出PWM波作為傳輸電路的控制信號。當(dāng)PZT輸出電壓峰值來臨時，峰值檢測電路準(zhǔn)確捕捉PZT電壓達(dá)到峰值的時間，輸出高電平，傳輸控制電路導(dǎo)通，PZT采集能量轉(zhuǎn)移到電感中。隨PZT能量下降，電壓過零檢測電路準(zhǔn)確捕捉到電壓降為零的時間，輸出低電平，傳輸控制電路斷開，電感儲存能量通過續(xù)流二極管轉(zhuǎn)移到存儲電容中。所設(shè)計電路通過準(zhǔn)確捕捉PZT電壓到達(dá)峰值的時間，減小其與開關(guān)動作時的相位差，從而提高能量提取效率，能量提取效率為90.01%。同時，通過門電路的連接，該電路可擴(kuò)展為多輸入的SECE電路，實現(xiàn)多PZT的同時采集。實驗結(jié)果驗證了擴(kuò)展后的MI-SECE電路的有效性。與其他電路相比，具有較為明顯的優(yōu)勢和特色。