一種自感知型電感同步開關能量採集電路(一)

2020-11-23 電子產品世界

能源問題是當今世界廣泛關注的熱點問題，各國研究人員一直在努力尋找和開發新能源。近年來，環境振動能量已成為研究者的「 新寵」，被應用在無線傳感器網絡的供電系統中，用以取代傳統的電池供電。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/387727.htm

壓電能量採集因其具有轉化效率高、結構簡單、易於實現機構的微小化等諸多優點而成為振動能量採集研究的熱點。然而壓電陶瓷片在振動環境中僅能輸出低功率、小電流的交流電，無法直接為電子器件供電。通常需要設計附加的能量採集電路，以便完成交直流轉換和能量存儲。如何儘可能提升能量採集電路的能量傳遞效率是該類電路研究中關心的主要問題。

最早的能量採集電路由二極體橋式整流和大電容濾波構成。它被成為AC-DC 標準能量採集電路SEH(Standard Energy Harvesting)，但該電路能量傳遞效率偏低，尤其是對機電耦合係數較低的能量採集裝置而言。為此，Guyomar 等人提出了電感同步開關採集電路SSHI( Synchronized Switch Harvesting onInductor)，由於該電路設計可大幅提升能量傳遞效率，已成為當前能量採集電路設計的主流方式。

需要指出的是，傳統SSHI電路的原理是在振動位移達到最大或最小時，閉合開關使電壓翻轉。為了協調控制開關閉合，需要用外接供電的傳感器檢測位移，並用控制器控制開關，顯然這種工作方式在採集能量的同時，還會消耗能量，有悖於環境能量採集的研究初衷。針對該問題，本文提出了一種完全不依賴外部檢測與控制設備的自感知型電感同步開關能量採集電路SS-SSHI( Self-Sensing Synchronized Switch Harvesting on Inductor)。該電路的優點是僅依靠模擬電路即可完成檢測和控制，避免了對外界設備和能量的依賴。在該電路中，壓電片既是能量採集元件，又是傳感檢測元件，依靠其輸出電壓的峰值檢測與比較，可自動控制開關的閉合時機。同時，採用了一種模擬電子開關技術實現開關閉合。文中給出了電路的工作原理與功率分析，理論和實驗研究表明，相比於標準電路，SS-SSHI 電路即能顯著提高能量採集效率，又可避免對外界設備和能量的依賴。

1 壓電振子電學模型

壓電振子的電學模型可以等效為一個電流源和等效電容並聯，如圖1 所示。圖中Cp 為壓電片的夾持電容，Rp為壓電片等效內部電阻，一般為幾十兆歐或更大，ieq為等效電流源電流，可視為恆流源。

圖1 壓電能量採集模型

假設壓電振子的等效電流源的電流為ieq，那麼它和振動速度關係如下：

其中αe 是外力—電壓因子，x(t)為壓電振子位移。

2 壓電振子電學模型

壓電振子一般產生的都是交流電，而我們要供電的負載大部分則是要求直流電，這就使得在給外界負載供電之前需要對其進行整流，提高能量採集效率是該類電路設計中首要考慮的問題。

2.1 標準能量採集電路

標準能量採集電路SEH( Standard Energy Harvesting)是最常見的轉換電路。它由標準的整流電路和濾波電容構成，一般選擇的濾波電容C r 要足夠大以保證整流電壓V DC 是一個保持不變的直流電壓，即時間常數RCr遠大于振蕩周期。電路原理圖如圖2 所示。

圖中C r為濾波電容，RL為等效負載，電路輸出功率等於負載的輸入功率。如果壓電片電壓| Vp| DC，那麼當| Vp | 達到VDC 時，整流橋導通，壓電片電壓此時就在| Vp | = VDC 處停止上升。當| Vp | 開始下降時，整流橋又開始斷開，電路處於斷開狀態。

圖2 標準能量採集電路

電容兩端電壓和電量的關係為：

q =C ● V (2)

式中q 為電容兩端電荷，C 為電容大小，V 為電容兩端電壓。

當電容兩端電壓為固定值時，電容上儲存的能量W 為：

W =V ● q (3)

根據(2)和(3) 可以得出標準電路的能量採集功率PSEH為：

這裡f0 =ω/2π是振動頻率，Cp 為壓電元件夾持電容，VDC為整流直流電壓，VOC，org 為原始開路電壓幅值，VD 為二極體壓降。

2.2 電感同步開關能量採集電路

傳統的經典能量採集電路由於電路一直處於通路狀態，電路本身損耗比較大，加之電路本身的結構缺陷，導致能量採集效率低下。為了解決這個問題，研究人員提出了一種基於電感的同步開關的能量採集電路SSHI( Synchronized Switch Harvesting on Inductor)，該電路包括一個電子控制開關，當壓電結構的位移達到最大值或最小值這個開關就被觸發，研究表明SSHI 電路的能量採集效率遠高於標準電路。該類電路又分為並聯同步開關電路( P-SSHI)和串聯同步開關電路(S-SSHI)。

傳統的SSHI電路原理圖如圖3 所示，電路的大部分時間斷開的，這樣能量採集電路本身的損耗就比較小，可以很好的提高能量採集效率。開關只有在位移達到最大值或最小值時才閉合，此時組成一個L-Cp 振蕩迴路，電路振蕩周期遠小於機械振蕩周期，每次開關閉合後，存儲在壓電片Cp 上的能量便通過整流橋和電感L 轉移到電容Cr上來。

圖3 傳統的SSHI電路原理圖

通過(1)可知等效電流ieq和速度成比例，這些開關動作可以保證Vp 和ieq是同相位的，所以從機械部分到電部分的輸入能量永遠是正的。Lefeuvre 等研究了SEH 電路和S-SSHI 電路的最大輸出功率：

式中，α 為力因子，ω 是振動角頻率，C0 是壓電元件夾持電容，UM 為壓電元件振動位移幅值，Qi 為SSHI電路品質因子。

通過上式可以看出S-SSHI 電路的最大輸出功率是SEH 電路的(1+e-π/2Qi ) / (1+e-π/2Qi ) 倍，顯然可以通過選擇合適的電路品質因子Qi 顯著的提高SSHI 電路的最大輸出功率。

3 自感知型電感同步開關能量採集電路

然而傳統的SSHI 電路的有一個致命的缺點：它不是一個自感知電路，即開關S 的通斷，需要位移傳感器和數字控制器，這些都需要額外的能量供給，有悖於能量採集研究的初衷。為此，本文根據文獻[12]給出的電子開關設計( 如圖4)，提出了一種自感知的同步開關能量採集SS-SSHI(Self-Sensing Synchronized Switch Harvesting on Inductor) 方法，僅依靠模擬電路就可以自動的根據壓電元件輸出電壓的變化控制開關的開閉。

圖4 電子開關

3.1 SS-SSHI電路工作原理

在自感知同步開關電路設計中，我們使用了互補的電晶體拓撲結構來實現對壓電片兩端電壓Vp 的直接包絡檢測：其中一部分用於最大值檢測，剩下的對稱部分用於最小值檢測。對SSHI 電路的改進電路SS-SSHI 如圖5 所示，圖中的主要元件的型號如表1。

圖5 SS-SSHI 電路原理圖

相關焦點

  • 一種鋰電池組均衡充電管理電路設計
    回饋型是指通過能量轉換器將單體之間的偏差能量饋送回電池組或電池組中的某些單體。　　理論上，當忽略轉換效率時，回饋不消耗能量，可實現動態均衡。但由於回饋型設計控制方法複雜，製造成本較高，本充電器採用能耗型設計。　　能耗型按能量迴路處理方式又可以分為斷流和分流。斷流指在監控單體電壓變化的基礎上，滿足一定條件時把單體電池的充電迴路斷開，充電電流完全通過旁路電阻。
  • 開關電源原理及各功能電路詳解(上)
    一、 開關電源的電路組成開關電源的主要電路是由輸入電磁幹擾濾波器因瞬時能量全消耗在RT1電阻上，一定時間後溫度升高後RT1阻值減小（RT1是負溫係數元件），這時它消耗的能量非常小，後級電路可正常工作。 ③ 整流濾波電路：交流電壓經BRG1整流後，經C5濾波後得到較為純淨的直流電壓。若C5容量變小，輸出的交流紋波將增大。
  • 電子電路知識從零開始:電感
    空心電感器（也稱脫胎線圈或空心線圈，多用於高頻電路中）不用磁心、骨架和屏蔽罩等，而是先在模具上繞好後再脫去模具，並將線圈各圈之間拉開一定距離。 2、繞組 繞組是指具有規定功能的一組線圈，它是電感器的基本組成部分。繞組有單層和多層之分。單層繞組又有密繞（繞制時導線一圈挨一圈）和間繞（繞制時每圈導線之間均隔一定的距離）兩種形式；多層繞組有分層平繞、亂繞、蜂房式繞法等多種。
  • 同步整流和非同步整流有什麼區別?
    本文轉載自【微信公眾號：strongerHuang，ID:strongerHuang】經微信公眾號授權轉載，如需轉載與原文作者聯繫開關電源是通過功率管打開時給電感充電，電感儲能；功率管斷開時，電感釋放能量，從而實現電壓變換。
  • DC/DC轉換器中同步整流型和異步整流型的差異
    DC/DC轉換器的非絕緣型降壓開關穩壓器有前項所說明的異步整流（二極體）式和同步整流式。異步整流式是較早被使用的方式，就開關穩壓器而言電路簡單但效率卻超過80％左右。其後，筆記本電腦等電池驅動且需要較大功率的應用開始要求更高效率，於是可獲得高效率的同步整流式開關穩壓器用IC被陸續開發，控制或電路極為複雜的同步整流式變得容易設計，逐漸成為主流。同步整流式最大可以獲得近95%的效率。 圖39和40是兩種方式的電路概述和工作。
  • 升壓型DC-DC轉換電路工作原理
    升壓型DC-DC轉換電路工作原理 DC-DC轉換器分為三類：Boost升壓型DC-DC轉換器、BUCK降壓型DC-DC轉換器以及 Boost-BUCK升降壓型DC-DC轉換器三種，如果電路低壓採用DC-DC轉換電路，應該是Boost升壓型DC-DC轉換電路，並且輸入電壓、輸出電壓都是直流電壓，而且輸入電壓比輸出電壓低，基本拓撲結構如圖
  • 抑制同步開關噪聲的超帶寬電磁帶隙結構的研究
    這一新型結構的設計基於在正方形金屬貼片的四角刻蝕出折線型縫隙以降低貼片的有效電容，應用折線以增加相鄰貼片的有效電感，單元晶格由折線與含有縫隙的 正方形金屬貼片橋接構成。0 引言隨著現代高速數字電路的發展，因為高時鐘速率和低電壓電平等原因，電源平面和地平面之間的同步開關噪聲（Simultaneous Switching Noise，SSN）變成人們最關心的問題之一。
  • 並—串聯開關電路的原理圖和等效電路圖
    並—串聯開關電路也叫Boost-Buck開關電路或Cuk開關電路。實際上，它是一個並聯開關電路後接一個串聯開關電路而成的。其原理圖和等效電路圖如圖1-6所示。在圖1-7（a）中，虛線左邊為並聯開關電路的等效電路，虛線右邊為串聯開關電路的等效電路。假設開關S1和S2是由同一個脈衝控制，它們同步導通或關斷，這樣S1、V1、S2、V2在電路中的作用可以分別用一個雙刀雙擲開關S來取代，則演變成圖1-7（b）中的等效電路。假設輸出電壓U。允許成為反極性的，那麼，雙刀雙擲開關S和與其並聯的電容Cl可以等效為一個單刀雙擲開關和與其並聯的電容器，如圖1-7（c）所示。
  • 電感在電路中的作用詳解
    圖1顯示了兩種最常見的PWM開關拓樸布局的變化，降壓和升壓(buck/boost)轉換器。在同步配置中，第二隻電晶體將取代二極體。在某種意義上來講，脈衝寬度調製的採用使得這些轉換器「準數位化」，至少可與基於一個串聯旁路元件的723型線性穩壓器相比。事實上，PWM使得採用數字控制迴路成為可能。
  • 6n137典型應用電路(光耦開關電路/數據採集系統)
    打開APP 6n137典型應用電路（光耦開關電路/數據採集系統） 發表於 2018-03-29 16:25:56 6n137典型應用電路（一） 隔離器6N137典型應用如圖所示，假設輸入端屬於模塊I，輸出端屬於模塊II。
  • 簡述開關電源中電感的作用
    電感常為儲能元件，也常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上，用來平滑電流。電感也被稱為扼流圈，特點是流過其上的電流有"很大的慣性".換句話說，由於磁通連續特性，電感上的電流必須是連續的，否則將會產生很大的電壓尖峰。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/327686.htm　　電感為磁性元件，自然有磁飽和的問題。
  • 開關電源基礎:工作原理和電路圖
    傳統的線性穩壓電源雖然電路結構簡單、工作可靠，但它存在著效率低(只有40% -50%)、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調整範圍小等缺點。為了提高效率，人們研製出了開關式穩壓電源，它的效率可達85% 以上，穩壓範圍寬，除此之外，還具有穩壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩壓電源。正因為如此，開關式穩壓電源已廣泛應用於各種電子設備中，本文對各類開關電源的工作原理作一闡述。
  • 開關電源的電感選擇和布局布線
    ）是一種非常高效的電源變換器，其理論值更是接近100%，種類繁多。按拓撲結構分，有Boost、Buck、Boost-Buck、Charge-pump等；按開關控制方式分，有PWM、PFM；按開關管類別分，有BJT、FET、IGBT等。本次討論以數據卡電源管理常用的PWM控制Buck、Boost型為主。 開關電源的主要部件包括：輸入源、開關管、儲能電感、控制電路、二極體、負載和輸出電容。
  • 高頻開關電源電路原理圖文實例
    四、輔助電源提供所有單一電路的不同要求電源。第二節 開關控制穩壓原理開關K以一定的時間間隔重複地接通和斷開，在開關K接通時，輸入電源E通過開關K和濾波電路提供給負載RL，在整個開關接通期間，電源E向負載提供能量；當開關K斷開時，輸入電源E便中斷了能量的提供。
  • 開關電源濾波電感計算與選擇
    本文將闡明為非隔離式開關電源(SMPS)選用電感的基本要點。所舉實例適合超薄型表面貼裝設計的應用，像電壓調節模塊(VRM)和負載點(POL)型電源，但不包括基於更大底板的系統。
  • 開關電源如何分類? 開關電源有哪些基本類型
    此時電感中的電流線性上升，二極體VD反偏而截止，電感L儲存能量，此時負載RL所需 的電流由前一段時間電容上所充的電壓供給。當開關管截止時，VD導通，通過電感上的電流線性下降，感 應電壓為左負右正，輸入電壓Ui和電感L上的感應電壓同極性串聯，電源輸人Ui和電感L所釋放的能量同時 給負載RL提供電流，並向電容C充電。
  • 三款降壓開關電源電路圖詳解
    此電路採用了一塊555時基電路擔任脈衝振蕩器。 　　由R1、R2、C1、D1組成啟動電路，使電路在剛接通時向BG3提供基極電流，促使開關管BG1、BG2導通，並向555提供工作電壓，當負載短路時，555將失去工作電壓，從而使BG3、BG1、BG2截止，以保護電路和開關管。 　　電感L和續流二極體D2可減輕開關管的負擔。L用E7鐵心、Φ1.0mm漆包線繞滿即可。D2用大於5A的快速恢復二極體或普通二極體。
  • 新型同步整流電路的設計
    這種應用MOSFET進行整流的技術，稱為同步整流(SR)。本文介紹了一種具有後級開關穩壓功能的同步整流電路，其既能降低損耗、提高電源效率，又實現高精度穩壓功能。● 主、副電路採用同一次級繞組，變壓器的漏感和寄生阻抗影響大大降低。● 主、副電路採用一個同步整流器，節省了副路整流濾波電路，既簡化了電路，又降低了電源損耗。
  • IGBT開關式自並激微機勵磁系統的原理及應用
    IGBT自並激勵磁系統的組成及主迴路原理　　2.1 勵磁系統組成及接線方式　　自並激勵磁系統也就是直接勵磁系統或稱靜態勵磁系統。我站的HWKT—09型IGBT自並激勵磁系統由勵磁變壓器、三相不可控整流橋及IGBT功率單元、滅磁單元、控制單元四部分組成。
  • 開關電源電磁幹擾與出現電感嘯叫聲音的解決方法
    採取吸收電路能夠抑制EMI， 其基本原理就是在開關關斷時為其提供旁路， 吸收積蓄在寄生分布參數中的能量， 從而抑制幹擾的發生。可以在開關管兩端並聯如圖2（ a） 所示的RC 吸收電路， 開關管或二極體在開通和關斷過程中， 管中產生的反向尖峰電流和尖峰電壓， 可以通過緩衝的方法予以克服。緩衝吸收電路可以減少尖峰電壓的幅度和減少電壓波形的變化率， 這對於半導體器件使用的安全性非常有好處。