SCEI能量回收接口电路的设计

基于压电效应的能量回收接口电路是能量回收系统的重要组成部分,经典的接口电路有标准接口、同步电荷提取电路(SECE)、并联同步开关电感电路(Parallel-SSHI)、串联同步开关电感电路(Series-SSHI)4种。提出并设计了一种新的接口电路——同步电荷提取和翻转电路(SCEI)接口电路,完成了该接口电路在恒定激振位移情况下回收功率的理论分析和计算,并利用电子仿真软件Multisim对SCEI和4种典型接口电路的回收功率进行了仿真和比较。结果表明,SCEI接口电路性能优越,其回收功率约是SECE电路的1.5倍,且与负载无关。     

ESEI能量回收接口电路的设计与仿真

具有较大回收功率且回收功率不随负载变化是设计基于压电效应的能量回收接口电路需要考虑的主要因素,标准接口、SECE、串联SSHI、并联SSHI是常用的四种接口电路,其中SECE接口电路的回收功率与负载无关,基于此提出了一种新的压电能量回收接口电路——ESEI(Enhanced Synchronous Charge Extraction and Inversion Interface)接口电路,分析计算了该接口电路在恒定激振位移下的回收功率,并利用电子仿真软件Multisim对ESEI和四种接口电路的回收功率进行了仿真和比较。结果表明当负载大于临界值时,ESEI接口电路的回收功率达到最大值且与负载没有关系,该最大回收功率值约为SECE接口电路的4倍,仅小于并联SSHI接口电路。     

一种压电振动能量回收电路

为了提高压电式振动能量回收系统的能量回收能力和解决在负载变化使能量回收效率变差的问题,以悬臂梁式压电振动发电系统为例,提出了一种高效的压电振动能量收集电路设计方案,即并联型双同步开关电感接口电路,可将压电梁转换振动能量得到的电能高效地储存到电容中。实验结果表明,压电梁在频率为38.4Hz、加速度有效值为0.035m/s2振动激励下工作时,给出的并联双同步开关能量回收(P-DSSH)接口电路可释放的瞬时功率达0.25mW,是全桥整流接口电路(SEH)最优功率的5.8倍,是并联同步开关电感(P-SSHI)接口电路可释放的瞬时功率的2.2倍,是LTC3588-1电路可释放的瞬时功率的1.27倍,且其工作不受负载变化的影响。     

溶胶-凝胶法制备铜掺杂氧化锌薄膜的光学特性

设计了一种新的能量回收接口电路——双中间电容回收(DICH)接口电路,该电路由2个LC振荡电路、一个buck boost转换器和2个中间电容组成。完成了在恒定激振位移情况下该电路的回收功率的理论分析和计算。利用Multisim仿真软件对标准电路、同步电荷提取(SECE)接口电路、并联 同步开关电感回收 (SSHI)、串联 SSHI和DICH接口电路进行了仿真比较,结果表明,双中间电容回收(DICH)接口电路在最优负载时的最大回收功率仅小于并联 SSHI接口电路,约是SECE接口电路的2倍,且具有与SECE接口电路同样的特性,即回收功率与负载无关。     

压电能量采集器高效能量提取接口电路设计

压电能量采集器能把环境振动能转换为电能,该文基于如何将压电能量采集器转化电能最大化提取的研究,提出了一种压电能量采集器高效能量提取接口电路,采用有源二极管整流电路降低了整流过程中的导通压降损耗,电感同步开关电荷提取电路有效提取了寄生电容中储存的电能。利用华虹宏力0.11 μm CMOS工艺进行电路设计和版图布局。测试结果表明,接口电路可提取80.4%寄生电容中存储的电能,20 kΩ电阻负载下导通压降为20.2 mV,在加速度5g(g=9.8 m/s2)和频率40 Hz条件下平均提取功率是标准接口电路的2.58倍。该芯片可应用于基于振动能供电的无线无源传感节点等领域。     

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.     

直管谐振式低频压电声能量回收系统

为了高效回收环境中的声能,基于阵列式压电换能器、直管谐振腔以及能量回收电路提出了一种声能量回收系统.当声波进入直管谐振腔,管中产生谐振驻波作用于压电换能器,将声能转换为电能.本文设计了能量回收电路并且进行理论、仿真分析实验研究了压电振子数量、声波频率、声压级对输出电压的影响,分析了负载电阻对输出电压及功率的影响.实验结果表明,该装置可回收不同频率的声能量,在声波频率为96Hz时发电效果最优.当入射声压级为110dB时,不使用能量回收电路,输出交流电压有效值最高达12.9V,输出交流功率最高达到799μW;使用设计的能量回收电路,最高输出直流电压为64.2V,最高输出直流功率为473μW.该声能量回收系统不仅可以作为声能量采集器,还能对无线传感节点等独立工作的微型电子系统供能.     

压电能量收集接口电路的设计与仿真

为了给无线传感器网络节点提供稳定、高效且长期的能量供给,该文提出了一种基于增强型同步电荷提取电路的压电能量收集接口电路(ESECE)。利用Multisim电路仿真软件对增强型同步电荷提取电路进行仿真,并与标准压电能量收集接口电路(SHE)和同步电荷提取电路(SECE)进行对比分析。实验结果表明,在相同激励条件下,ESECE比SECE的输出功率提高了近30%,最大输出功率达到190μW,同时还保证了输出功率与负载电阻的无关性。     

冲击激励式压电俘能器的接口电路设计

设计了一种自供能同步非对称电压翻转及电荷提取电路(SP-SAFCE),其在压电俘能器电压正峰值完全翻转,在负峰值将能量完全提取,结合了并联同步开关电感电路和同步电荷提取电路的特点。相比于传统的压电接口电路,SP-SAFCE具有自供能的峰值检测模块和开关、无整流桥、无需阻抗匹配等优势。在拨动频率和磁铁间距离变化条件下进行对比实验,实验表明,在相同冲击激励下,SP-SAFCE电路的工作电压比同步电荷提取电路低0.8 V,输出功率约为同步电荷提取电路的1.15倍,适合作为冲击激励式压电俘能器的接口电路。     

基于压电材料的振动能量回收技术现状综述

随着微机电系统(MEMS)技术的迅猛发展,基于压电振动的能量回收技术可以为MEMS提供电能,受到国内外众多学者的关注。该文介绍了压电式振动能量回收装置的工作机理;分别从能量回收装置的结构和材料、能量转化的接口电路、能量的存储技术、能量回收的应用实例等方面系统的介绍国内外的主要研究成果和研究进展;并对压电振动能量回收技术的发展方向进行了预测。     

应用于能量收集中的接口电路的设计

针对从周围环境中收集能量的微型发电机输出功率和电压非常小,无法直接应用的问题。文中设计了一种超低输入电压、低功耗且高效的接口电路。该接口电路包含两级,第一级是无源级和仅由一个有源二极管组成的第二级。为降低有源二极管的功耗,采用一个工作在亚阈值区的衬底输入比较器用来驱动MOS开关。设计采用TSMC 018 μm 标准CMOS工艺,使用Cadence Spectre在室温的条件下进行仿真。结果表明,在输入电压为500 mV（100 Hz）,负载电阻为50 kΩ时整流器的电压转换率为977%,能量转换率为913%。整流器能够在输入电压振幅为320 mV以上实现高效整流。     

一种高效压电能量收集与管理电路

根据压电元件的特性提出一种压电能量收集与管理电路。它包括一个基于电感的并联同步开关收集电路( P-SSHI )、一个控制电路和一个DC-DC电路。该P-SSHI电路只需要两个开关,仿真的结果显示其收集的能量相比传统的AC-DC电路提高5倍以上;DC-DC电路工作在电流断续模式下(DCM),这有利于降低功耗,提高轻载效率,且仿真结果的输出电压为3.3 V,电压精度为0.02%。这种压电能量收集与管理电路能够为微功率设备提供稳压。     

An Efficient Piezoelectric Energy Harvesting Interface Circuit Using a Bias-Flip Rectifier and Shared Inductor

Harvesting ambient vibration energy through piezoelectric means is a popular energy harvesting technique which can potentially supply 10-100's of ?W of available power. One of the main limitations of existing piezoelectric harvesters is in their interface circuitry. In this paper, a bias-flip rectifier circuit that can improve the power extraction capability from piezoelectric harvesters over conventional full-bridge rectifiers and voltage doublers by greater than 4X is implemented in a 0.35 ?m CMOS process. An efficient control circuit to regulate the output voltage of the rectifier and recharge a storage capacitor is presented. The inductor used within the bias-flip rectifier is shared efficiently with a multitude of switching DC-DC converters within the system reducing the overall component count.     

压电能量回收的自适应机械开关电路

压电能量回收装置离不开能量提取电路,传统标准电路的能量提取效率不高,而采用同步切换开关的能量提取电路能有效提高了能量提取效率。该文提出采用粘性材料作为自适应机械开关结构的移动电极,它不需额外的电子器件,且可自适应悬臂梁的位移幅值,获得更高功率。分别采用正弦激励和噪声激励对粘性材料的参数进行了分析。结果表明,激励不同时,粘性材料的参数选择也不同,同时还证明了自适应机械开关的性能。     

基于耦合电感的压电能量采集电路设计与仿真

利用压电材料的环境振动能量收集技术具有能量密度大,无电磁干扰,较易收集的特点,该文提出一种自供电式压电振动能量采集电路,即基于耦合电感的同步电荷提取和电压翻转电路(SCET&VII),利用电子仿真软件LTspice对标准能量采集(SEH)电路、同步电荷提取(SECE)电路和SCET&VII进行仿真分析和对比。结果表明,在相同振动激励条件下,SCET&VII接口电路的负载取用功率是SEH的2.65倍、SECE的1.76倍,且功率输出不受负载影响,同时实现了能量收集中的开关动作能量自给。     

逆压电效应对串联非线性压电俘能系统的影响

逆压电效应将电量转变为机械运动。将多个俘能器以串联电路相连接,逆压电效应会使各个俘能器的运动状态发生变化,从而影响到整个俘能系统的性能。在建立了两个俘能器串联系统的机电耦合数学模型基础上,利用数值仿真的方法,研究了逆压电效应对系统动力学及俘能效果的影响。研究表明,只有当所有俘能器均为周期运动时,才能保证各个俘能器为周期运动,并在大振幅周期激励下,系统的平均输出功率达到最大,系统的俘能效果最好。如果有一个俘能器为混沌运动,则其他俘能器要么为混沌运动,要么为伪周期运动,系统的俘能效果会受到不同程度的影响。串联电路的参数对系统的俘能效果有明显的影响。