一种自感知型电感同步开关能量采集电路

能源问题是当今世界广泛关注的热点问题，各国研究人员一直在努力寻找和开发新能源。近年来，环境振动能量已成为研究者的“ 新宠”，被应用在无线传感器网络的供电系统中，用以取代传统的电池供电。

压电能量采集因其具有转化效率高、结构简单、易于实现机构的微小化等诸多优点而成为振动能量采集研究的热点。然而压电陶瓷片在振动环境中仅能输出低功率、小电流的交流电，无法直接为电子器件供电。通常需要设计附加的能量采集电路，以便完成交直流转换和能量存储。如何尽可能提升能量采集电路的能量传递效率是该类电路研究中关心的主要问题。

最早的能量采集电路由二极管桥式整流和大电容滤波构成。它被成为AC-DC 标准能量采集电路SEH(Standard Energy Harvesting)，但该电路能量传递效率偏低，尤其是对机电耦合系数较低的能量采集装置而言。为此，Guyomar 等人提出了电感同步开关采集电路SSHI( Synchronized Switch Harvesting onInductor)，由于该电路设计可大幅提升能量传递效率，已成为当前能量采集电路设计的主流方式。

需要指出的是，传统SSHI电路的原理是在振动位移达到最大或最小时，闭合开关使电压翻转。为了协调控制开关闭合，需要用外接供电的传感器检测位移，并用控制器控制开关，显然这种工作方式在采集能量的同时，还会消耗能量，有悖于环境能量采集的研究初衷。针对该问题，本文提出了一种完全不依赖外部检测与控制设备的自感知型电感同步开关能量采集电路SS-SSHI( Self-Sensing Synchronized Switch Harvesting on Inductor)。该电路的优点是仅依靠模拟电路即可完成检测和控制，避免了对外界设备和能量的依赖。在该电路中，压电片既是能量采集元件，又是传感检测元件，依靠其输出电压的峰值检测与比较，可自动控制开关的闭合时机。同时，采用了一种模拟电子开关技术实现开关闭合。文中给出了电路的工作原理与功率分析，理论和实验研究表明，相比于标准电路，SS-SSHI 电路即能显著提高能量采集效率，又可避免对外界设备和能量的依赖。

1 压电振子电学模型

压电振子的电学模型可以等效为一个电流源和等效电容并联，如图1 所示。图中Cp 为压电片的夹持电容，Rp为压电片等效内部电阻，一般为几十兆欧或更大，ieq为等效电流源电流，可视为恒流源。

图1 压电能量采集模型

假设压电振子的等效电流源的电流为ieq，那么它和振动速度关系如下：

其中αe 是外力—电压因子，x(t)为压电振子位移。

2 压电振子电学模型

压电振子一般产生的都是交流电，而我们要供电的负载大部分则是要求直流电，这就使得在给外界负载供电之前需要对其进行整流，提高能量采集效率是该类电路设计中首要考虑的问题。

2.1 标准能量采集电路

标准能量采集电路SEH( Standard Energy Harvesting)是最常见的转换电路。它由标准的整流电路和滤波电容构成，一般选择的滤波电容C r 要足够大以保证整流电压V DC 是一个保持不变的直流电压，即时间常数RCr远大于振荡周期。电路原理图如图2 所示。

图中C r为滤波电容，RL为等效负载，电路输出功率等于负载的输入功率。如果压电片电压| Vp| DC，那么当| Vp | 达到VDC 时，整流桥导通，压电片电压此时就在| Vp | = VDC 处停止上升。当| Vp | 开始下降时，整流桥又开始断开，电路处于断开状态。

图2 标准能量采集电路