多路并行可调谐能量采集电路的设计与实现

罗翠线，王艳芬，李朋伟，胡 杰，张雪英

(太原理工大学信息工程学院微纳系统研究中心新型传感器和智能控制系统重点实验室(教育部)，山西太原030024)

多路并行可调谐能量采集电路的设计与实现

罗翠线，王艳芬，李朋伟，胡 杰，张雪英

(太原理工大学信息工程学院微纳系统研究中心新型传感器和智能控制系统重点实验室(教育部)，山西太原030024)

针对传统能量采集器输出功率过低、单一能量采集单元不足以直接驱动传感器节点等负载的问题，设计了一种多路并行可调谐能量采集电路。该电路包括能量采集源模块、全桥整流模块、电容存储模块、电压调整模块和负载模块五部分。Multisim软件仿真结果表明该电路的最终输出电压相比标准能量采集(standard energy harvesting，SEH)电路提高了1.11倍；实验测试结果显示，采用该电路后输出电压稳定在5 V，最大输出功率为15 mW，比SEH电路提高2.12倍，能量传输与利用效率显著提高。

多路并行；标准能量采集电路；电压调整电路

随着无线传感网络技术[1]及新一代物联网技术[2]的飞速发展，其应用逐步扩展到工况监测、野外环境监测、健康医疗以及家居生活等多个领域，但在野外、强震、高噪等恶劣环境中，为无线传感监测设备供电却成为制约其广泛应用的瓶颈问题。在此环境中，传统的供电方式存在各种各样的问题，如有线架设成本高、维修困难；化学电池寿命有限、污染环境；核电池存在辐射污染因素等等。因此利用环境能量为无线传感网络节点等便携式低功率电子设备提供实时电能供给的研究日益受到人们的重视[3]。然而，从环境中所采集到的电能普遍具有交变、小电流[4]等特征而不能直接提供给负载。因此，与环境能量采集器相匹配的高效、稳定能量采集电路研究逐步成为环境能量采集领域的研究热点。

Guyomar等[5]最早提出的标准能量采集(standard energy harvesting，SEH)电路可以实现基本的微小能量采集，但只有在电路满足负载匹配时才有最大功率输出，而且能量捕获效率较低。为了提高电路的存储与转化效率，Lefeuvre等[6]提出了非线性能量采集电路，包括同步电荷提取技术(synchronous electric charge extraction，SECH)和串、并联电感同步开关采集(synchronized switch harvesting on inductor，SSHI)技术。与SEH电路相比，以上非线性电路在能量采集效率方面有所提高，然而多数电路的实现需要额外增加驱动电源。Lallart等[7]又采用双同步开关采集(double synchronized switch harvesting，DSSH)电路，能量采集效率提高了500%，但是此电路不是一种自适应电路，需要较复杂的信号检测与控制电路。目前，国内许多课题组也在进行能量采集电路方面的研究，上海交通大学的唐刚[8]提出了一种倍压整流及电容充电电路，能量采集器的输出电压经倍压整流后对电容进行充电，使得输出电压有所提高，但是由于倍压电路使用的肖特基二极管有开通电压，整个电路的效率值没有达到预期的目标。中南大学彭敏强[9]针对微小型压电式振动设计出了一种功率调理电路，由同步电荷转移模块、电荷汇集模块、可控电压转换模块以及存储模块四个部分组成，完成了对微小能量的存储与利用，但在能量传输与转化效率方面没有显著提高，且没有实际供给负载。

综合国内外研究现状可以发现，关于单路能量采集电路研究已较为成熟，但单路能量采集器电路转换效率不高，且电路的抗干扰能力和稳定性较差。基于此，本文提出了一种多路并行可调谐能量采集电路，通过将多路并行能量采集源并联输出，再加以全桥整流、电容存储及电压调整，实现对负载的大功率、稳定输出。

1 电路设计思想

图1为传统的SEH电路和多路并行可调谐能量采集电路的设计框图。传统的SEH电路由能量采集源、整流桥、滤波电容和负载组成，如图1(a)所示。多路并行可调谐能量采集电路包括能量采集源模块、全桥整流模块、电容存储模块、电压调整模块和负载模块等五部分，如图1(b)所示。其中，能量采集源模块由n个能量采集源组成，每个能量采集源模块之间的连接方式是并联，并联后电路的等效电阻变小，输出电流增大；全桥整流模块是将正负交替的正弦交流电压整流为单向脉动电压，实现AC-DC的转变；电容存储模块主要是将每次采集到的微小能量利用超级电容存储起来，而且超级电容还有滤波作用；电压调整模块主要是将存储后的电压进行调整提供给特定的负载；负载模块一般为微型传感器和MEMS等低功耗微纳电子设备。

图1 传统的SEH电路原理框图(a)及多路并行可调谐能量采集电路原理框图(b)

2 电路实现

2.1 电路工作原理

根据多路并行可调谐能量采集电路的基本设计思想，具体实施电路如图2(a)所示。能量采集部分包括3个能量采集源，模拟放置在不同位置的能量采集器，将不同采集点的能量转换为电能，此时电路的总输出电流为I=I1+I2+I3，是3个能量采集源并联后的输出电流总和。全桥整流部分中的整流电路对每个能量采集源所采集的交流电进行整流，将交流电变为直流电，然后每路采集到的能量相互并联，整个电路的等效电阻变小，输出电流变大，每个整流桥之后都连接着一个二极管，防止由于每个能量采集源采集到的电压不同而出现电流逆流的现象，确保电路的稳定性。C1为超级电容，可以将每次采集到的微小能量存储起来，能量利用效率得到提高。电压调整部分利用运算放大器OP作为滞回比较器来控制场效应管Q1的打开与关闭，实现电感L1的充电与放电，二极管SD防止后面负载的波动对前端电路的影响，电容C2和电阻R8主要起滤波作用，稳压二极管DZ起到稳定负载两端电压的作用，使得整个电路工作更可靠；负载部分选择发光二极管、小型传感器等一些低功耗微纳电子器件。

图2(b)为传统SEH电路原理图，其输出电压(VR)取决于整个电路的负载电阻，一般只有R为最佳负载时，才有最大的功率输出。

图2 多路并行可调谐能量采集电路原理图(a)及SEH电路原理图(b)

2.2 仿真结果分析

为优化电路参数，本文采用Multisim软件对电路进行了仿真。仿真时能量采集源的电压为Z(t)=sinst，峰峰值为30 V，频率为50 Hz。

仿真过程中通过对二极管、电阻、电感和电容的参数优化调节，系统电路得以稳定输出，优化后输出曲线如图3所示。其中，A曲线为多路并行可调谐能量采集电路的输出电压波形，曲线呈现规律性波动，电压为(15.2±0.2)V。曲线B是SEH电路在选择最佳负载40 kΩ的条件下得出的输出电压波形，电压波动较小，基本稳定在7.2 V。图3中右下角插图是SEH电路负载随电压的变化曲线，图中可以看出最匹配的负载为40 kΩ，输出电压为7.2 V，此时电路输出功率最大。对比图3中的A、B两条曲线，可以发现多路并行可调谐能量采集电路的输出电压是SEH电路的2.11倍。

图3 两种电路输出电压波形及SEH电路负载随电压变化曲线

3 实际电路性能测试

3.1 测试平台搭建

测试平台搭建如图4(a)所示。在实际搭建的电路中，采用三个并联的压电陶瓷片(尺寸为60 mm×30 mm×0.3 mm)，模拟多路并行能量采集电路中的振动能量采集源；采用HXN-Xh芯片(同步升压型DC/DC转换器，开启电压为0.9 V，输入电压范围为0.6～4.4 V，输出电压在2.5～5 V范围内可调)替代电压调整电路，方便电路调试和性能测试。

测试时，激振器加速度2.28 m/s2，工作频率为38 Hz(此时振动能量采集源具有最大电压输出)。

3.2 实验测试结果与分析

电压调整电路如图4(b)所示，用示波器测试电路的最终输出电压为5 V，输出功率为15 mW。此处由于压电陶瓷片产生的是高电压小电流，只有输入电压达到1.7 V时，HXN-Xh芯片方可进行正常工作。无论每次采集的电量多么微小，都可以将其储存在超级电容里，避免能量的浪费。

实验测得输出电压为5 V，该结果是仿真输出电压的0.33倍，这主要有两方面原因：一方面是该压电能量采集源与仿真软件里面给出的模拟电压源有所不同，由于压电陶瓷片产生的电压高达十几伏，而电流低至微安级，因此导致电流过小而不能驱动电路工作，只有当电压达到一定值时，功率相应提高，此时才能驱动整个电路工作；另一方面是因为仿真软件中的元器件基本处于理想状态，电能没有损耗。

SEH电路的输出功率曲线随负载变化呈正态分布[如图4 (c)]，且收集的最大功率与负载电阻有关。当负载选取20 kΩ时，电路最大的输出功率为4.8 mW。三并行多路可调谐压电陶瓷片换能电路的输出功率曲线如图4(c)所示，其输出功率为15 mW，是SEH电路最大输出功率的3.12倍，输出效率得到显著提高。另外，该电路输出功率曲线接近一条直线，随负载变化波动极小，与标准SEH电路相比，电路输出稳定性得到极大提高。

图4 测试平台搭建及测试结果

4 总结

本文基于能量采集电路提出了一种并行多路可调谐电路的设计方法，该电路可以对多路能量同时进行采集且并联输出，再通过全桥整流、电容存储及电压调整，实现对负载的大功率、稳定输出。实验搭建的并行多路可调谐能量采集电路通过升压芯片的调节使得输出电压稳定在5 V，功率为15 mW。与SEH电路的最大输出功率相比，其输出功率增大了212%，并行多路可调谐能量采集电路的能量传输与转化效率以及稳定性都明显提高，实验结果证明了该电路的可行性。

[1]XU Q J,LI Y G,YANG X.Research of location technology based on wireless sensor network[J].Advanced Materials Research,2014, 860(25):2817-2824.

[2]CAI K.Internet of things technology applied in field information monitoring[J].Advances in Information Sciences and Service Sciences,2012,14(12):405-414.

[3]KOUZANI A Z,ABULSEOUD O A,TYE S J,et al.A low power micro deep brain stimulation device for murine preclinical research [J].IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine,2013,2168(1):1500109.

[4]STANZIONE S,LIEMPD C V,HOOF C V.Integrated asynchronous high-voltage DC-DC buck converter for energy harvesting applications[J].Electronics Letters,2013,49(3):210-211.

[5]GUYOMAR L,LALLART M,GUYOMAR D,et al.Mechanical energy harvester with ultralow threshold rectification based on SSHI nonlinear technique[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009,56(4):1048-1056.

[6]LEFEUVRE E,BADEL A,RICHARD C,et al.Piezoelectric energy harvesting device optimization by synchronous electric charge extraction[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2005,16(10):865-876.

[7]LALLART M,GARBUIO L,PETIT L,et al.Double synchronized switch harvesting(DSSH):a new energy harvesting scheme for efficient energy extraction[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2008,55(10):2119-2130.

[8]唐刚.基于压电厚膜的MEMS振动能量采集器研究[D].上海:上海交通大学,2013.

[9]彭敏强.实现宽频响应的微小型压电式振动能量采集技术的研究[D].长沙:中南大学,2011.

Design and implementation of tunable energy harvesting circuit with parallel channels

LUO Cui-xian,WANG Yan-fen,LI Peng-wei,HU Jie,ZHANG Xue-ying
(Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System(Ministry of Education),Micro and Nano System Research Center, College of Information Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024,China)

To overcome the shortcoming of the lower output power of traditional energy harvesting devices and a single energy harvesting cell not enough to directly drive loads like sensor nodes,a tunable energy harvesting circuit with parallel channels was proposed. The new circuit contained energy harvesting source module, a full-bridge rectifier module,capacitance storage module,voltage regulator module and load module.Simulation results by using Multisim software show that the output voltage of the circuit is 1.11 times greater than that of the SEH circuit.The experimental results prove that the output voltage of the circuit is 5 V and the maximum output power is 15 mW, increasing by 2.12 times than that of the SEH circuit. The efficiency of energy transmission and utilization is improved.

parallel channels;standard energy harvesting circuit;voltage regulator circuit

TM 13

A

1002-087 X(2015)08-1748-03

2015-01-22

国家自然科学基金(51205176，51205275)；国家博士后科学基金(20110491629，2013T60268)；山西省青年科学基金(20120-21021-5，2013021017-1)；山西省科技重大专项(20121101004)；山西省高等学校特色重点学科建设项目(晋教财[2012]45号)

罗翠线(1990—)，女，陕西省人，硕士研究生，主要研究方向为微能源、电路与系统。