王家歡，夏銀水，沈家輝，蘆泓宇

(寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)節(jié)點(diǎn)已廣泛用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、可穿戴設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品和人體健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。然而，節(jié)點(diǎn)供電方法已經(jīng)成為WSN 大規(guī)模應(yīng)用中不容忽視的障礙。由于有限的電池壽命，采用電池進(jìn)行供電限制了WSN 工程應(yīng)用的進(jìn)程。環(huán)境能量收集技術(shù)被認(rèn)為是克服這一挑戰(zhàn)的有效方法之一[1]。光、熱、風(fēng)和振動(dòng)是自然界中最常見(jiàn)的環(huán)境能源[2]。其中，振動(dòng)能在環(huán)境中廣泛存在、能量密度高，且壓電換能器(Piezoelectric Transducer，PZT)可以通過(guò)正壓電效應(yīng)[3]將振動(dòng)引起的機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電能。因此，采用PZT 收集環(huán)境振動(dòng)能量來(lái)為WSN 供電的方法引起了相關(guān)學(xué)者的極大興趣。但PZT 產(chǎn)生的能量交流且時(shí)變，因此需要接口電路進(jìn)行能量變換并提供穩(wěn)定的電源。

目前，已經(jīng)報(bào)道了許多PZT 接口電路。全橋整流器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，因此被稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路(Standard Energy Harvesting，SEH)。由于二極管存在正向壓降，使得SEH 轉(zhuǎn)換效率低。為此，文獻(xiàn)[4]和[5]采用有源二極管和MOS 整流橋以降低二極管的壓降。但是，由于壓電元件中存在寄生電容，導(dǎo)致電壓和電流之間存在相位差，從而導(dǎo)致無(wú)功功率的產(chǎn)生[6]。

近來(lái)，人們提出了多種非線性接口電路來(lái)提高俘能電路的輸出功率。Lefeuvre 等[7]提出了同步電荷提取電路(Synchronous Electric Charge Eletraction，SECE)。在SECE 中，一旦等效電流源電流過(guò)零，通過(guò)LC 諧振快速提取壓電受夾電容Cp中的電荷，使壓電電壓為零(稱(chēng)為同步提取)，從而電壓和電流總是保持相同的相位[8]。SECE 技術(shù)通過(guò)同步提取改變電壓極性來(lái)提高功率，使其電壓過(guò)零與電流過(guò)零保持一致，消除了因相位差產(chǎn)生的無(wú)功功率。

Lefeuvre 等[9]還提出了電感并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)收集(Parallel Synchronized Switch Harvesting on Inductor，P-SSHI)和電感串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)收集(Series Synchronized Switch Harvesting on Inductor，S-SSHI)。這兩種方法利用串聯(lián)電阻、電感、電容(RLC)電路的LC諧振的1/2 周期，不僅可以改變同步時(shí)刻壓電電壓的極性，而且可以放大電壓。每次同步提取后電壓發(fā)生變化，導(dǎo)致整個(gè)周期的電壓幅值變大。SSHI 技術(shù)也被稱(chēng)為偏置翻轉(zhuǎn)整流技術(shù)[10]。

由于SECE 和SSHI 兩者的特性不同，又提出了利用兩者特性的技術(shù)，如雙同步開(kāi)關(guān)采集[11]、同步翻轉(zhuǎn)電荷提取[12]。同步翻轉(zhuǎn)電荷提取(Synchronous Inversion and Charge Extraction，SICE)由Lallart 等提出，在弱機(jī)電耦合下，該方案在每個(gè)電壓極值時(shí)刻，通過(guò)LC 諧振來(lái)快速使壓電電壓翻轉(zhuǎn)，最后利用SECE 提取。這些電壓翻轉(zhuǎn)提高了壓電的電壓，因此俘獲的能量也相應(yīng)地提高。

為進(jìn)一步提高俘能效率，研究人員提出了[13-16]采用外加電壓源來(lái)對(duì)受夾電容Cp進(jìn)行充電，提出了所謂的“預(yù)偏壓”[13-16]和“能量注入”[15]等技術(shù)提高壓電能量的俘獲效率。較之于SSHI 技術(shù)無(wú)需外加的電壓源來(lái)翻轉(zhuǎn)壓電電壓，“能量注入”[15]和“預(yù)偏壓”[13-16]等是指在下半個(gè)周期開(kāi)始電荷積累之前，外加偏置電壓源可以向壓電元件即向受夾電容Cp預(yù)先注入更多能量，從而產(chǎn)生一個(gè)預(yù)偏置電壓Vb。每次同步后的電壓幅值會(huì)隨著預(yù)偏壓[16]而增大。此時(shí)存儲(chǔ)在電容Cp的能量可以表示為:

Vmax表示沒(méi)有外加電壓源情況下，在電荷提取瞬間壓電元件上的電壓最大值。因?yàn)轭A(yù)偏置電壓Vb的存在，每次電荷提取所增加的能量為CpVmaxVb。

外加電壓源的加入不可避免地會(huì)使電壓控制更加復(fù)雜，從而造成更多能量的損失。為俘獲更多的能量，提高設(shè)備的可靠性，人們通過(guò)俘獲多種環(huán)境能量來(lái)為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電[17-19]。但是，這些電路要么采用時(shí)分復(fù)用的方法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)同時(shí)俘獲兩種形式的能源；要么需要外部供電電源才能正常工作。Wang 等[19]提出了自供電的壓電振動(dòng)能與溫差熱電能融合采集電路，實(shí)現(xiàn)了自供電的交流和直流能量俘獲。但是該電路只能工作在熱電電壓較低情況下，且俘獲效率較低。

為此，本文提出了一種基于雙能量源的同步翻轉(zhuǎn)電荷提取能量俘獲接口電路(DS-SICE)，該電路利用了兩種不同能量源的特性，可以同時(shí)俘獲兩種交流能量(壓電和電磁能量)。在壓電振動(dòng)的正半周期電壓反轉(zhuǎn)，進(jìn)行能量注入。在負(fù)半周期，采用SECE 的結(jié)構(gòu)，同時(shí)提取壓電片中的電荷和電磁發(fā)電機(jī)的能量。所提出的電路在增加俘獲能量的同時(shí)，降低了負(fù)載的依賴(lài)性。

1 電路工作原理

1.1 PZT 的等效模型

壓電換能器在諧振情況下的等效電路模型可以表示為圖1(a)，其中Vs和Rs分別表示外部激勵(lì)力和機(jī)械阻尼損耗。LM是質(zhì)量勢(shì)能，CK是懸臂的彈性勢(shì)能。懸臂結(jié)構(gòu)中機(jī)電耦合較弱時(shí)，PZT 可以簡(jiǎn)化為一個(gè)由電流源Ip與電容器Cp和電阻Rp并聯(lián)組成的非耦合電路模型，如圖1(b)所示。當(dāng)激勵(lì)是正弦振動(dòng)時(shí)，電流可以表示為

圖1 壓電等效模型

式中:ω代表外部振動(dòng)的角頻率。

1.2 電磁發(fā)電機(jī)

電磁發(fā)電機(jī)(Electromagnetic Generator，EMG)的工作原理主要是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理。電磁微發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)是由一個(gè)或幾個(gè)線圈和磁鐵以簡(jiǎn)單的幾何形狀組裝而成。與壓電換能器(PZT)比較，EMG 產(chǎn)生的輸出電壓低，工作頻率較低，[20]產(chǎn)生的能量較少。由于電路中整流二極管和晶體管的壓降存在，電磁能量俘獲在低電壓輸入下一直面臨著挑戰(zhàn)[21]；另一方面，EMG 產(chǎn)生較高的輸出電流，可以等效為一個(gè)交流電壓源與一個(gè)內(nèi)阻。由于EMG 采集的能量密度低，電路設(shè)計(jì)難度大，因此電磁能用來(lái)做輔助的能量源。

1.3 同步電荷提取電路

同步電荷提取電路(SECE)的電路實(shí)現(xiàn)和波形圖如圖2 所示，SECE 電路提取能量的過(guò)程主要分為兩個(gè)階段:電荷提取和電感續(xù)流[7]。

圖2 SECE 接口電路和電路波形圖

對(duì)于傳統(tǒng)的SECE 結(jié)構(gòu)，在一個(gè)完整周期內(nèi)提取的能量由式(3)給出:

由于SECE 的負(fù)載獨(dú)立性好，人們提出了一些基于SECE 結(jié)構(gòu)的整流技術(shù)，如同步翻轉(zhuǎn)電荷提取[12，14](SICE)。電路原理圖如圖3(a)所示，其工作波形圖如圖3(b)所示。研究表明在前半周期甚至前幾個(gè)周期進(jìn)行能量注入，可增大最終俘獲的能量。文獻(xiàn)[12]和[14]利用壓電受夾電容Cp上自身的電荷進(jìn)行n次電壓翻轉(zhuǎn)，再利用SECE 提取。

圖3 同步翻轉(zhuǎn)電荷提取和同步電荷提取波形圖

在弱耦合條件下，當(dāng)考慮電壓翻轉(zhuǎn)次數(shù)n＝1時(shí)，得到Vini＝Vmax，所提取的能量可以表示為:

比較式(3)和(4)，可以看到翻轉(zhuǎn)后的電壓Vinv越大，可提取的能量越多。

在這里，定義

式中:Vini和Vinv分別表示發(fā)生電壓翻轉(zhuǎn)前后的電壓，系數(shù)γ可以表示電壓翻轉(zhuǎn)性能的好壞[22]。對(duì)于無(wú)外加電源的電壓翻轉(zhuǎn)來(lái)說(shuō):

式中:γ＝1 表示具有無(wú)損RLC 電路的理想電壓翻轉(zhuǎn)，即r＝0 或相應(yīng)的Q＝∞，數(shù)字-1 表示在同步時(shí)沒(méi)有電壓變化的情況，如SEH 電路。SECE 的電壓波形與γ＝0 的相似。對(duì)于同步翻轉(zhuǎn)電荷提取電路，考慮翻轉(zhuǎn)系數(shù)后，式(4)可改寫(xiě)成:

根據(jù)式(7)可見(jiàn)，γ越大，在同步電荷提取階段(SECE)所能提取的能量也越多。為獲得更大的翻轉(zhuǎn)系數(shù)γ，一些電路如同步多偏壓[22]等技術(shù)采用了外加的電壓和輔助電容，來(lái)使翻轉(zhuǎn)后的電壓幅值大于翻轉(zhuǎn)前的電壓，即γ可以大于1。

2 電路設(shè)計(jì)與分析

本文根據(jù)同步翻轉(zhuǎn)電荷提取的原理，提出一種自供電混合雙能源能量俘獲接口電路(DS-SICE)。該電路的原理圖如圖4 所示。

圖4 DS-SICE 原理圖

電路工作原理如下:EMG 輸出的交流電壓，經(jīng)過(guò)二極管D1和D2，分別在電容C1，C2上存儲(chǔ)負(fù)電荷和正電荷。當(dāng)PZT 輸出達(dá)到峰值時(shí)，電容C1和C2接入LC 回路中。在壓電(PZT)振動(dòng)的正半周期峰值時(shí)刻，如圖4(b)所示，此時(shí)開(kāi)關(guān)S1閉合，PZT的受夾電容Cp、電感L1和電容C1形成閉合的回路。電路采用CLC 諧振可使電路的翻轉(zhuǎn)性能增加[22]，該電路采用EMG 模塊和存儲(chǔ)負(fù)電荷的電容C1，提高了能量俘獲效率。圖4(c)給出了當(dāng)檢測(cè)到PZT的負(fù)半周期峰值時(shí)的電路工作圖，與SECE 一樣包括電荷提取和電感續(xù)流兩個(gè)過(guò)程。開(kāi)關(guān)S1和開(kāi)關(guān)S2閉合，電容Cp、電感L1、電容C2進(jìn)行LC 諧振；經(jīng)過(guò)1/4 LC 諧振，電容Cp和C2的電壓轉(zhuǎn)換為電感L1的電流，電感上的電流達(dá)到峰值，PZT 兩端電壓為零。此時(shí)開(kāi)關(guān)S3閉合，電感續(xù)流回路為電容C2、電感L2、負(fù)載電容Cs。電路的能量提取采用SECE 結(jié)構(gòu)，降低了電路與負(fù)載關(guān)聯(lián)性。

所提出的自供電混合雙能源能量俘獲接口(DSSICE)電路實(shí)現(xiàn)圖如圖5 所示，主要由電磁發(fā)電機(jī)(EMG)、壓電換能器(PZT)、無(wú)源正負(fù)峰值檢測(cè)、三極管開(kāi)關(guān)Q2，Q5和Q6、存儲(chǔ)電容C1和C2、整流二極管D1和D2、MOS 管M1和二極管D3組成的開(kāi)關(guān)、耦合電感L1和L2構(gòu)成。詳細(xì)的工作過(guò)程如下。

圖5 雙電源的同步翻轉(zhuǎn)電荷提取(DS-SICE)電路圖

在壓電激勵(lì)的正半周期，電路經(jīng)由無(wú)源峰值檢測(cè)開(kāi)關(guān)，在達(dá)到峰值后經(jīng)過(guò)一個(gè)Vdelay的相位延遲后[23-24](詳細(xì)過(guò)程可參考文獻(xiàn)[24])，三極管Q2導(dǎo)通。電容C1、電感L1和電容Cp形成的CLC 回路如圖6 所示。

圖6 正半周期工作的LC 回路

當(dāng)三極管Q2導(dǎo)通時(shí)，電容Cp、C1、電感L1三者發(fā)生諧振，開(kāi)關(guān)在1/2 個(gè)LC 諧振周期后，Q2截止。假設(shè)電感為一個(gè)理想電感，即忽略電感的損耗。設(shè)Cp和C1上的電壓分別為Vp、V1，根據(jù)電荷守恒(8)和能量守恒(9)，電荷和能量只在Cp和C1之間交換。

求解上述兩個(gè)方程，得到Cp兩端翻轉(zhuǎn)前后的電壓，可以表示為式(10):

根據(jù)上述所定義的翻轉(zhuǎn)系數(shù)，可以得到:

注意到V1＜0，因此翻轉(zhuǎn)系數(shù)γ大于1，電路翻轉(zhuǎn)后的電壓值大于翻轉(zhuǎn)前的電壓，類(lèi)似于有源的電荷注入。該方案能增大翻轉(zhuǎn)后電壓幅值的原因是LC 諧振發(fā)生在兩個(gè)電容和一個(gè)電感，而其他同步翻轉(zhuǎn)電荷提取的LC 諧振只發(fā)生在一個(gè)電容和一個(gè)電感。根據(jù)式(7)和式(12)，翻轉(zhuǎn)系數(shù)γ的減少，俘獲的效率也相應(yīng)增加，所增加的能量為2CpVmax(-2V1＋。表1 給出了四種不同電路在理想情況下一個(gè)周期能量表達(dá)式。從表1 看出，該方案可以使得負(fù)載俘獲的能量有效提高。

表1 SECE、偏置翻轉(zhuǎn)、預(yù)偏壓、本文電路的一個(gè)周期的能量

在負(fù)半周期，無(wú)源峰值檢測(cè)開(kāi)關(guān)的工作過(guò)程與前半周期類(lèi)似。電路經(jīng)過(guò)峰值檢測(cè)開(kāi)關(guān)，檢測(cè)到負(fù)半峰值后，經(jīng)過(guò)一個(gè)Vdelay相位延遲后，三極管Q5和Q6同時(shí)導(dǎo)通，電容C2、電感L1、電容Cp形成CLC 回路，如圖7 所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，與SECE 工作過(guò)程類(lèi)似，利用電感L1提取電容C2和Cp上的電荷，經(jīng)過(guò)1/4 個(gè)LC 諧振周期，電感上的電流達(dá)到最大值。此時(shí)，PMOS 管M1柵級(jí)上的電壓為負(fù)，MOS 管M1導(dǎo)通，電感續(xù)流發(fā)生。二極管D3屏蔽了PMOS 管的寄生二極管，從而電感L2的電流方向只能單向流動(dòng)。由于電感L2和電感L1的耦合，電感續(xù)流發(fā)生在L2上，兩者的電流都是從同名端流入。續(xù)流回路為電容C2、電感L2，負(fù)載電容Cs。

圖7 負(fù)半周期工作LC 回路

可以看到，能量從能量源到負(fù)載端只發(fā)生在振動(dòng)的負(fù)半周期。在能量提取階段，所提取到負(fù)載的電荷一部分為C2的電荷，另一部分為Cp上的電荷，其中Cp上的電荷為正半周期電壓翻轉(zhuǎn)的電荷和負(fù)半周期PZT 等效電流源產(chǎn)生的電荷之和。

在一個(gè)周期負(fù)載所得到的能量，可以表示為:

式中:Eloss為電感寄生電阻消耗的能量和晶體管壓降造成的能量損耗。對(duì)于電容Cp上的能量提取，SECE 結(jié)構(gòu)是常用的Buck-Boost 結(jié)構(gòu)，而對(duì)于C2的電荷提取，在電荷提取和電感續(xù)流階段能量都可以傳遞到負(fù)載，增加了到負(fù)載的功率。

3 仿真分析

對(duì)所提出的電路通過(guò)LTspice 進(jìn)行仿真。電路所對(duì)應(yīng)的電流電壓波形如圖8 所示。在壓電激勵(lì)的正半周期峰值時(shí)，由于C1上的負(fù)電荷部分轉(zhuǎn)移到Cp中，因此C1上的電壓迅速上升，然后又由電壓源VEM進(jìn)行充電，緩慢下降；而C2上的電壓由于SECE 電荷提取，則相應(yīng)地在負(fù)半周期峰值時(shí)刻迅速下降，然后由于VEM的正向電壓充電，電壓緩慢上升。同時(shí)，由于LC 諧振周期的時(shí)間很短，PZT 兩端的電壓在峰值時(shí)迅速變化，因此在電感上有時(shí)間很短的尖峰電流。

圖8 所對(duì)應(yīng)的電壓電流仿真波形圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的電壓翻轉(zhuǎn)作用，圖9 給出了在有無(wú)輔助電壓源VEM情況下，壓電片兩端電壓的比較仿真圖?？梢钥吹?，由于VEM輔助電壓的存在，壓電片兩端的電壓幅值被有效提高，提高的電壓值大約為1.8 V，這一部分增加的電壓來(lái)源于輔助電容C1。電壓的增加不僅可以增大可俘獲的能量，還減少了電路的損耗。注意在這里由于翻轉(zhuǎn)電壓增加所增加的能量為，而不是

圖9 有無(wú)EMG 的電壓對(duì)比圖

圖10 給出了在電壓翻轉(zhuǎn)階段和能量提取階段放大后的電流電壓仿真波形圖。在壓電的正半周期峰值時(shí)刻，電感L1、電容Cp、電容C1三者發(fā)生諧振。從電感電流iL1的波形可以看出，LC 諧振發(fā)生1/2 周期，造成的效果使VPZT電壓下降到負(fù)值，C1的電壓抬升。在負(fù)半周期峰值時(shí)刻，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感L1、電容Cp、電容C2進(jìn)行1/4 LC 諧振，直到VPZT＝0 V。此時(shí)，續(xù)流階段發(fā)生在電感L2上，由于續(xù)流回路由電容C2、電感L2、電容Cs組成，所以在續(xù)流階段，電容C2的電壓會(huì)持續(xù)下降，直到續(xù)流結(jié)束。該電流電壓波形與工作原理符合。

圖10 電壓翻轉(zhuǎn)階段和電荷提取階段放大的電流電壓仿真波形圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證該電路的負(fù)載相關(guān)性，我們進(jìn)行了分組仿真測(cè)試比較。圖11 是在不同的EMG 電壓、相同PZT 開(kāi)路電壓(VPZT＝4 V)下，俘獲的功率隨負(fù)載電阻變化關(guān)系。在負(fù)載電阻值較小時(shí)(小于300 kΩ)，隨著負(fù)載阻值的增加，俘獲的功率也增加；在負(fù)載電阻大于300 kΩ 時(shí)，電路俘獲的功率幾乎保持不變。并且不同EMG 的電壓變化對(duì)負(fù)載獨(dú)立性的影響很小。由圖可見(jiàn)，在負(fù)載電阻變化很大一個(gè)范圍內(nèi)，俘獲的功率維持在較高的水平，這是采用SECE 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

圖11 俘獲的功率隨負(fù)載電阻變化曲線

4 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

為了對(duì)以上理論和仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證，我們搭建了如圖12 所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中電路的元器件型號(hào)及參數(shù)如表2 所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

表2 元件型號(hào)及參數(shù)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、示波器、懸臂梁裝置、功率放大器、振動(dòng)臺(tái)、電壓源以及無(wú)源能量俘獲電路等。信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，通過(guò)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)的頻率和幅度可以控制振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率和幅度。當(dāng)正弦信號(hào)的頻率和懸臂梁裝置的諧振頻率一致時(shí)，PZT 工作在諧振狀態(tài)，輸出功率達(dá)到最大，壓電振動(dòng)能的俘獲都是在PZT 諧振狀態(tài)(f＝20 Hz)下完成。

懸臂梁裝置由金屬質(zhì)量塊、PZT 和基座組成，PZT 的一端被固定在基座上，另一端(活動(dòng)端)被固定上一個(gè)金屬塊，基座固定在振動(dòng)臺(tái)上。電磁微發(fā)電機(jī)由線圈和永磁體組成，其主要的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制為機(jī)械式振動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)與導(dǎo)線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。當(dāng)接入電路測(cè)試時(shí)，保持電磁微發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，即能產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出。

圖13 為示波器所測(cè)PZT 兩端的電壓波形和輔助電容C1和電容C2的電壓。可以從圖中看到:PZT 兩端的電壓達(dá)到正峰值后，經(jīng)過(guò)一段延遲后迅速下降，電壓反向。在壓電負(fù)半周期，將PZT 電荷和電磁發(fā)電機(jī)的電荷進(jìn)行提取，壓電兩端的電壓到零。在相應(yīng)的峰值時(shí)刻，C1和C2電壓的變化也在圖13 給出。實(shí)驗(yàn)示波器所觀察到的波形與上述仿真的波形一致。

圖13 示波器所測(cè)PZT 的電壓、電容C1、C2 波形

所提出的電路在振動(dòng)的正半周期進(jìn)行電壓翻轉(zhuǎn)，能量提取的過(guò)程發(fā)生在負(fù)半周期的SECE。為觀察電感上的電流，在電感回路中串聯(lián)一個(gè)小電阻(Rt＝5 Ω)，通過(guò)測(cè)量小電阻兩端的電壓得到流過(guò)它的電流。在能量提取階段和電壓翻轉(zhuǎn)階段，電感上的電流和PZT 兩端的電壓如圖14 所示。圖14(a)和14(b)比較了在有無(wú)輔助EMG 電壓情況下，壓電兩端的電壓?？梢钥吹?，當(dāng)存在EMG 時(shí)，翻轉(zhuǎn)后的電壓幅值可大于無(wú)EMG 的情況，這意味著在SECE電荷提取階段，所能俘獲的能量更多。圖14(c)說(shuō)明在負(fù)半周期峰值瞬間，開(kāi)關(guān)閉合后，利用電感對(duì)壓電上的能量進(jìn)行提取，并續(xù)流到了負(fù)載。

圖14 電流電壓圖

圖15 給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的三種不同結(jié)構(gòu)電路俘獲(PZT 開(kāi)路電壓＝4 V)的功率隨負(fù)載變化圖，所提出的電路俘獲的能量為標(biāo)準(zhǔn)能量俘獲電路的2.7倍，約為sp-SECE 電路的1.9 倍，并且負(fù)載的相關(guān)性與SECE 近似，在較大變化區(qū)間內(nèi)，仍保持較高水平的輸出功率。

圖15 俘獲功率隨負(fù)載變化圖

5 結(jié)論

本文提出了自供電的壓電和電磁混合能量俘獲電路(DS-SICE)。利用電磁和壓電兩者能量的特性，較好地實(shí)現(xiàn)了不同能量源之間的協(xié)同作用。在基于偏置翻轉(zhuǎn)電荷提取的結(jié)構(gòu)上，將電磁能量的負(fù)電荷用于翻轉(zhuǎn)電壓，將電磁的正電荷和壓電Cp上的電荷利用SECE 結(jié)構(gòu)提取。對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了原理分析、仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明所提出的電路可以實(shí)現(xiàn)壓電振動(dòng)能和電磁能的同步采集；同時(shí)，電路俘獲的混合能量與負(fù)載阻值相關(guān)性較小。對(duì)于兩個(gè)交流源，該電路無(wú)需多個(gè)整流橋，與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)能量俘獲電路的最大輸出功率相比，該電路輸出功率提升了2.7 倍，是SECE 輸出功率的1.9 倍。