用于压电能量收集的自供电DRSSHO电路

《Microelectronics Journal》：A Self-Powered DRSSHO Circuit for Piezoelectric Energy Harvesting

　　

摘要

双同步开关采集技术源自电感器上的串联同步开关采集技术，它通过两阶段电路及两个依次进行的谐振能量传输阶段来降低采集功率对负载的依赖性。然而，传统的双同步开关采集接口电路需要复杂的控制器来控制切换时机，这增加了电路的复杂度及能耗。为解决这一问题，本文提出了一种基于振荡器的自供电双谐振同步开关采集接口电路。在该设计中，第二阶段引入了自激振荡，并与非线性谐振回路相连，从而产生高频振荡信号，直接驱动第二阶段的开关转换器。该电路既无需专用控制器，也无需外部电池，同时提升了负载适应能力和输出功率。理论分析及实验结果表明，所提出的方法能够有效提取和传输压电能量，同时提高采集功率及其效率。

引言

随着物联网技术的快速发展，结构健康监测、无线传感器网络以及植入式医疗设备等应用已日益普及[1]。但在大多数应用场景中，电池无法长期稳定供电，而定期更换电池又会带来维护成本。因此，利用环境能量为无线传感器节点供电已成为研究热点[2]。在太阳能、热能和振动能等环境能源中，由于压电换能器具有较高的能量密度以及结构上的灵活性，压电振动能量采集受到了广泛关注[3]、[4]。由于压电换能器存在电容项且会产生交流输出，因此大量研究致力于开发高效的整流电路及接口电路，以减轻电容电抗带来的不良影响[5]。

在压电能量采集系统中，压电换能器通常被建模为一个等效电路，该电路由电流源_P与内部电容_P及内部电阻_P并联组成。最简单的整流方法是将全桥整流器与滤波电容结合使用，还可进一步与直流-直流转换器搭配[6]。不过，这种方法无法有效缓解电容项对整流效率的负面影响[7]。为解决这一问题，人们提出了两类主要的非线性开关增强技术：电感器上的同步开关采集技术[8]、[9]以及同步电荷提取技术[10]、[11]、[12]。这两种技术都在压电换能器的内部电容与外部电感之间形成谐振回路，从而收集原本会在全桥整流器中损耗的能量，进而大幅提升能量采集效率。与电感器同步开关采集技术不同，同步电荷提取技术的输出功率不受负载电阻的影响，因此在负载适应性能量采集方面更具优势。

为降低S-SSHI技术对负载的依赖性，Lallart等人[13]提出了双同步开关采集技术，该技术通过两阶段电路将能量源与负载解耦。在这种方法中，第一阶段的谐振回路从压电换能器中提取能量并将其存储到中间储能元件中，然后第二阶段再将能量传递给负载，从而使输出功率几乎不受负载变化的影响。不过，在传统的双同步开关采集电路中，第二次能量提取要等到第一阶段完成后才开始，而且还需要复杂的基于DSpace的控制界面来确定切换时机。Shen等人[14]提出了一种改进型的同步开关采集技术，通过让两次能量提取过程重叠来进一步提升提取效率；不过，其电路实现方式依然相当复杂。

为进一步简化控制器从而降低能耗，Wu等人[15]提出了一种基于MOSFET阈值电压管理的自供电双同步开关采集电路。在这种方案中，第一阶段提取的能量会提升中间电容的电压。一旦该电压超过MOSFET的阈值电压，第二阶段的升压转换器就会自动启动，这样就无需复杂的控制器来控制切换时机。Jiang等人[16]则提出了一种优化后的双同步开关采集电路，其第二阶段采用了类升降压拓扑结构，结合了前述技术的优点。尽管如此，这些研究仍然忽略了另一类在第二阶段采用同步自激振荡的接口电路。针对这一不足，本文提出了一种用于压电能量采集的双谐振同步开关采集振荡器电路。该电路能够提升输出功率并增强负载适应性，且仅使用分立元件实现，无需复杂控制器。其主要特点如下：

• 1)
  切换信号由自激振荡自然产生，无需专用振荡器或控制器，从而降低了与控制相关的能耗。
• 2)
  第二阶段的自激振荡与第一阶段的非线性谐振过程同步，保持了传统双同步开关采集电路那种不受负载影响的能量传输特性。
• 3)
  该电路采用简单的分立元件实现，所需元件数量少，且无需外部电池即可启动。

在实际应用中，压电能量采集器存在电容项，因此整流过程中电容阻抗带来的不良影响不可忽视。此外，第二阶段电路需与第一阶段协同工作，从压电换能器中提取能量并将其传递给负载，从而降低输出功率对负载的依赖性。所提出的DRSSHO电路满足了这些要求。它无需任何外部控制信号即可运行；两个谐振回路相互配合来提取和传输压电能量；而嵌套在能量提取谐振回路中的能量传输谐振回路能够产生自激振荡信号，其频率不受压电换能器输入激励的影响，从而使得第二阶段能够实现高频能量传输。

章节节选

电路工作原理

如图1(a)所示，所提出的DRSSHO电路包含两个阶段。第一阶段与压电换能器相连，利用非线性开关技术来提取并整流压电换能器的输出能量。第二阶段则与第一阶段协同工作，将提取到的能量传递给负载电容_L和负载电阻_L。在大部分工作时间内，电路处于开路状态，即开关S₁和S₂处于关闭状态。当压电换能器的输出电压接近峰值时，S₁

实验

为验证所提出的DRSSHO电路的功能与性能，研究人员设计了原型电路，对其进行了制作并进行了实验测试。如图1(a)所示，该电路包含两个阶段。第一阶段包括电感₁、电容₁、晶体管Q₁–Q₄以及二极管D₁、D₂。在这一阶段中，Q₃、Q₄、D₁和D₂构成了整流桥，该整流桥由由Q₁、Q₂和₁组成的峰值检测电路来控制。第二阶段则是一个自激振荡电路，由₁构成，

结论

本文提出了一种自供电的DRSSHO电路，该电路能够在压电换能器电压反转期间通过双谐振回路进行能量提取，并利用第二阶段的自激振荡来驱动升压转换器，从而将能量传递给负载。这种两阶段设计实现了能量提取与传输的协调，同时第一阶段的能量提取回路与第二阶段的能量传输回路以独立的频率工作，提升了调控的灵活性。此外，电路中的自激振荡还

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务或个人利益冲突。

未引用参考文献

[11].

CRediT作者贡献说明

Liao Wu：研究工作、概念构建、正式分析、初稿撰写。Yubin Huang：研究工作、正式分析、文章撰写。Minghua Xie：研究工作、正式分析。Hui Liu：资源提供。Zhongshen Chen：文章润色与编辑。

数据可用性

数据将应要求予以提供。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文所述研究的已知财务利益冲突或个人关系冲突。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金的资助[项目编号52377204]

Liao Wu|Yubin Huang|Minghua Xie|Hui Liu|Zhongsheng Chen

长沙大学电子信息与电气工程学院，中国长沙410022