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。     

基于SECE振动能量收集模块的设计与实现

飞机飞行过程中存在很多振动能,如果可以高效地对振动能量进行收集给传感器供电具有重大意义。针对悬臂梁式压电收集装置的输出功率不高,且现有的电荷提取电路开关管不易达到精确控制的问题,提出了运用MSP430FE425单片机进行精确采样以及开关控制实现方案。通过单片机检测压电片最大振幅值,并控制同步电荷提取电路(SECE电路)进行电荷提取,解决了SECE电路精确开关控制问题。     

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。     

DICH压电能量回收接口电路设计

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。     

基于同步电荷提取的压电能量俘获电路设计

利用压电振动能量收集技术具有的力-电耦合效应高,无电磁干扰,机构简单等特点,该文提出了一种对称式自供电同步电荷提取电路(SSP-SECE),使用互补三极管实现同步开关控制,通过导向二极管与检测电容可实现峰值自检测。使用Multisim软件建模仿真测试了电路方案的合理性,实验验证了电路的有效性。实验结果表明,采用优化设计的SSP-SECE接口电路使负载电阻功率比标准能量采集电路高约4.23倍,相对于SECE电路整体提升了23.02%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种无源同步开关压电能量收集电路研究

在压电能量收集接口电路中,并联开关同步电感电路在开关断开后电感上所剩余磁能并未得到有效利用。为了克服上述问题,提出一种改进的并联同步开关电感电路,以倍压整流电路取代并联同步开关电感电路中的全桥整流电路,一方面减少整流电路耗能,另一方面在开关过程中构建新的振荡回路,将电感上存储磁能转化成电能传递至负载。再利用无源峰值检测开关电路,降低开关控制电路耗能。仿真及实验结果表明,该电路输出功率为传统并联同步开关电感电路输出功率的130%、为经典电路输出功率的9.6倍。同时,该电路中开关电路耗能仅占所采集能量的12%,可以实现能量自给。