基于圆盘压电振子的声能采集器研究

为有效的采集声能,该文提出了一种基于Helmholtz共鸣器和圆盘压电振子的声能采集器。入射声波的声压经Helmholtz共鸣器放大后作用于圆盘压电振子使其产生振动,通过压电效应将声能转化成电能。建立了Helmholtz共鸣器和圆盘压电振子的理论模型,分析了声能采集器的声电转换原理,研究了入射声压、声波频率和负载阻抗对声能采集器的输出功率的影响。仿真结果表明,当入射声压为100dB(2Pa)、声波频率为809 Hz时,声能采集器的最大输出功率为22.86μW,对应的最优负载为578Ω。     

基于赫姆霍兹共鸣器的声能回收器研究

为了对环境中声能进行高效回收，提出了一种基于赫姆霍兹（Helmholtz）共鸣器和圆形压电振子组成的声能回收器。入射声波经Helmholtz共鸣器进行放大，被放大的声波作用于圆形压电振子使其产生振动，通过压电片的压电效应将声能转换为电能。建立了圆形压电振子构成压电换能器的等效集中参数理论模型，分析了声能回收器的声能转换原理，研究了压电片半径与基底半径比对声能回收器的影响。仿真结果表明，压电片半径与金属薄片半径（声腔内径）比为0.8时，发电效果最好，在入射声压为1 Pa（94 dB），声波频率为1 188 Hz，负载电阻为3.7 kΩ时，最大输出功率为12 μW。     

多悬臂梁压电换能器电路的设计与实现

介绍了一种多悬臂梁压电换能器电路。与标准能量采集电路(SEH)相比,三悬臂梁压电换能器电路的理论最大平均采集功率提高了300%。利用Multisim软件仿真,结果表明,三悬臂梁压电换能器电路的最终输出电压为SEH电路的2.11倍;进一步搭建实际电路,其最终最大输出功率为SEH电路的3.12倍,能量转化与利用效率显著提高。     

压电振动能量收集电路的设计与实验研究

压电材料可将机械振动能转换为电能,但其产生的电能较小且具有交流特性,有必要建立储能电路将压电振动产生的电能储存起来并输出稳定的直流电。根据压电构造方程,建立压电振动能量收集系统的耦合场数学模型,对输出电压和最大输出功率进行数值模拟。设计与制作了一种以电容为储能介质的储能电路,通过电压比较器和电压调节器来保证稳定的直流输出。实验结果表明该储能电路能提供稳定的2.24V的直流输出电压,储能效率最高可达66.3%,并分析其能耗及误差产生的原因。     

一种直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器

提出了一种2π弧度的直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器。该设计一方面可以降低谐振频率,另一方面可以提高单位体积的能量收集效率。悬臂梁整体结构厚度为2 mm,宽度为6 mm,整体尺寸大小为22 mm×26 mm。当施加的激励为0.1g加速度时,仿真输出电压为1.95 V,测量输出电压为1.8 V,相对电压误差为7.7%;仿真谐振频率为269 Hz,测量谐振频率为265 Hz,相对频率误差为1.5%;理论输出功率为7.04 μW,测试输出功率最大为5.79 μW,相对功率误差为17.8%。该压电能量收集器适用于便携式微电子系统。     

低功耗自供电压电能量管理电路的研究

为了提高压电能量采集系统的采集效率,该文提出了一种用于压电能量采集的自供电能量管理电路。采用基于并联同步开关感应(PSSHI)技术的有源全桥整流电路来提高压电采能器的功率,降低整流电路上的导通损耗;采用低功耗稳压降压集成芯片配合超级电容器,实现能量的高效采集存储。仿真结果表明,在模拟输出电压幅值为20 V时,该整流电路的输出功率为1.084 6 W,比传统整流电路的平均输出功率提高了16.8%,在最高输出电压为5 V时,30 s内储存能量可以达到4.137 1 J。     

质量块位置对压电悬臂梁发电性能影响分析

利用ANSYS有限元仿真软件,建立压电悬臂梁发电振子的ANSYS模型,并进行了模态分析和谐响应分析。当加速度为0.015 m/s2,质量块在不同位置时,仿真分析了压电悬臂梁发电振子输出的开路电压随频率的变化。由仿真结果可知,当质量块距离夹持端75 mm时,压电悬臂梁发电振子输出的开路电压有效值最大可达19.3 V。搭建试验台,研究了质量块在不同位置时压电悬臂梁发电振子的输出特性。实验结果表明,当质量块距离夹持端77 mm时,在加速度一阶谐振频率下,压电悬臂梁发电振子输出的开路电压有效值最大可达17.8 V。在经全桥整流电路接阻容电路,电阻为1.3 MΩ时,电阻上获得最大瞬时功率为55 μW。研究结果表明,带质量块的压电悬臂梁发电振子振动能量发电梁中的质量块存在一个最佳位置,使装置开路电压和输出功率最大。     

低功率场射频能量收集电路的仿真与验证

该文设计了一种低功率场射频能量收集电路,可收集中心频率为915 MHz的射频信号,并提供对外直流电源输出。该电路由阻抗匹配电路、倍压整流电路和电能存储电路组成。该文基于ADS仿真软件对电路进行设计,并对其性能进行检验,搭建了硬件电路进行实验验证。实验结果表明,当输入射频功率大于-5 dBm,整流倍压电路的负载电阻为10 kΩ时,输出电压高于0.8 V,空载时输出电压高于4.39 V;当输入功率为10 dBm,整流倍压电路的负载电阻为10 kΩ时,输出电压高达3.6 V,空载时输出电压高达7.7 V。为提高倍压整流电路输出电压,设计了谐振电路对倍压整流电路进行改进优化,并对其进行仿真实验验证。仿真实验结果表明,加入谐振回路的倍压整流电路的输出电压是传统倍压整流电路输出电压的2.5倍。该射频整流电路可用于无线传感器等低功耗电子设备的电能无线供应。     

一种采用频率变换的自供电电源管理电路

 在低频率条件下,采用直接阻抗匹配的原理,设计的压电材料换能器电源管理电路,匹配电感值很大.本文采用频率变换,设计了一种自供电电源管理电路.分析了频率变换的原理.将低频信号变换至较高频率,匹配电感值很小,有利于电路的小型化.该管理电路还可以在宽频带内对于压电换能器实现匹配.实验结果表明,电路实现了频率变换,匹配电感值和电路体积都大大减小.电源管理电路的最大采集功率为181.6mW,能量采集效率可以达到44.8%.当0.47法拉的储能电容电压为1.13V时,该电路最大放电功率可达110mW,放电时间持续620ms,能够驱动无线传感器在一个周期内正常工作.     

一种圆弧螺旋压电能量收集器

为了降低谐振频率,实现多方向收集和提高输出性能,提出了一种4π圆弧螺旋压电能量收集器。通过分析器件尺寸与输出性能之间的关系来提高器件性能,将优化后的模型进行COMSOL仿真,分析振动位移、应力以及谐振频率。相对于2π圆弧螺旋压电能量收集器,4π圆弧螺旋压电能量收集器具有更低的谐振频率和更高的输出电压。4π圆弧螺旋压电能量收集器的谐振频率为48 Hz,输出电压达到12.3 V,输出功率达到400μW。     

A self-powered piezoelectric energy harvesting interface circuit with efficiency-enhanced P-SSHI rectifier

The key to self-powered technique is initiative to harvest energy from the surrounding environment.Harvesting energy from an ambient vibration source utilizing piezoelectrics emerged as a popular method.Efficient interface circuits become the main limitations of existing energy harvesting techniques.In this paper,an interface circuit for piezoelectric energy harvesting is presented.An active full bridge rectifier is adopted to improve the power efficiency by reducing the conduction loss on the rectifying path.A parallel synchronized switch harvesting on inductor (P-SSHI) technique is used to improve the power extraction capability from piezoelectric harvester,thereby trying to reach the theoretical maximum output power.An intermittent power management unit (IPMU) and an output capacitor-less low drop regulator (LDO) are also introduced.Active diodes (AD) instead of traditional passive ones are used to reduce the voltage loss over the rectifier,which results in a good power efficiency.The IPMU with hysteresis comparator ensures the interface circuit has a large transient output power by limiting the output voltage ranges from 2.2 to 2 V.The design is fabricated in a SMIC 0.18μm CMOS technology.Simulation results show that the flipping efficiency of the P-SSHI circuit is over 80％ with an off-chip inductor value of 820 μH.The output power the proposed rectifier can obtain is 44.4μW,which is 6.7× improvement compared to the maximum output power of a traditional rectifier.Both the active diodes and the P-SSHI help to improve the output power of the proposed rectifier.LDO outputs a voltage of 1.8 V with the maximum 90％ power efficiency.The proposed P-SSHI rectifier interface circuit can be self-powered without the need for additional power supply.     

自供能压电振动能量回收接口电路优化设计

为了更适用于为无线传感网络供电,设计了一种自供能双同步开关电感电路(Self-powered DSSH电路).在压电换能器中增加了2个压电片:一片为传感器,通过微分器和比较器产生与振动同步的脉冲信号;另一片为供能片,为微分器和比较器供能.由无源峰值检测开关组成的DC-DC变换器能及时地将能量回收为负载供电.实验结果证明,设计的自供能双同步开关电感电路输出功率达到305 μW,相比标准电路提高了3.05倍,且一直保持最佳输出功率.     

半电极含金属芯压电纤维阵列研究

通过计算半周期内的有效电压,分析了半电极含金属芯压电纤维阵列能量收集的动力学方程组,推导了纤维完全一致和存在尺寸差异两种情况下阵列收集的电压和能量方程,仿真计算了纤维几何参数满足正态分布时能量收集效率与半径比、纤维长度和半电极角度的方差之间的变化规律。分析结果表明,纤维尺寸差异越大,能量收集效率越低。为提高阵列在不同方向的外界激励下能量收集效率,需要在每根纤维直接连接交流-直流转换电路。     

基于非完美声学黑洞的压电能量收集系统

针对高频压电振动能量回收效率低的缺点,提出了一种基于非完美声学黑洞的压电阵列式能量收集系统。首先建立了非完美声学黑洞薄板结构模型,并分析了在时域和频域条件下能量聚集特性,非完美声学黑洞结构能量集聚于中心平台的多个位置。然后建立了阵列式压电俘能系统实验模型,结构中心平台上能量聚集点的输出电压存在较大的相位差,通过引入整流电路消除此相位差,对比分析了整流前后串、并联电路的输出电压,结果表明,整流后系统输出电压能力得到了较大提高。     

一种上变频自供电无线传感器电源管理电路

电线周围的电磁场能量密度低,电磁换能器采集到的能量通常无法直接驱动无线传感器正常工作.论文采用上变频技术,设计了一种自供电电源管理电路来提高能量采集效率.由于电路的输出功率与品质因数成正比,且品质因数的大小与电路谐振电容的根号值成反比,因此通过提高电路的工作频率来减小谐振电容值,可以使高品质因数的电路产生更高的输出功率,进而增加能量采集效率.实验结果表明,该电路的最大能量采集效率是传统桥式整流电路的2.1倍.当电线中通过1A、50Hz的交流电时,电源管理电路最大采集功率为780μW,能量采集效率达到48.75%.当管理电路中超级电容能量积累达到一定程度,电容放电驱动无线传感器工作.     

基于声学黑洞的压电俘能结构系统仿真与优化

薄板结构中的声学黑洞(ABH)可降低弯曲波的相速度,同时增大振幅,在声学黑洞区域产生高能量密度和能量聚集效应,与压电俘能结构相结合,可提升能量转化效率。该文首先建立了基于声学黑洞的压电俘能结构的有限元模型,对比分析了均匀板及声学黑洞结构的动能密度及电压输出特性;基于有限元法推导了压电振子等效电路模型,并通过Multisim软件建立压电俘能全系统等效电路耦合模型,确定了负载电路最优电阻,提高系统俘能效率。     

面向压电能量收集的传感器自供电电源设计

随着物联网传感器网络的快速发展,微弱能量收集电路因其诸多优越性而备受关注。该文设计了一种基于压电能量收集技术的电路,其通过收集环境中的低频机械振动能量,经压电陶瓷(PZT)换能器产生交流电压,再经四倍压电路放大,并通过LTC3588-1电源管理电路整流变换,最终产生一个可供低功耗传感器工作的可切换的标准电压。实验结果表明,该电路可有效支持低功耗传感器正常工作。     

A single-stage power-factor-corrected AC/DC converter

This paper presents a single-stage isolated converter topology designed to achieve a regulated DC output voltage having no low-frequency components and a high-input power factor. The topology is derived from the basic two-switch forward converter, but incorporates an additional transformer winding, inductor and a few diodes. The proposed circuit inherently forces the input current to be discontinuous and AC modulated to achieve high-input power factor. The converter output is operated in discontinuous mode to minimize the bulk capacitor voltage variations when the output load is varied. Analysis of the converter is presented, and performance characteristics are given. Design guidelines to select critical components of the circuit are presented. Experimental results on a 150 W 50 kHz universal input (90-265 V) 54.75 V output AC/DC converter are given which confirm the predicted performance of the proposed topology