自供电的压电振动能与温差热电能融合采集电路设计*

王修登,夏银水*,施 阁,2,夏桦康,陈志栋,叶益迭,钱利波

(1.宁波大学信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211;2.中国计量大学机电工程学院,杭州 310018)

无线传感网络WSNs(Wireless Sensor Networks)节点作为物联网IoT(Internet of Things)的基本组成单元,已广泛应用于可穿戴设备、消费类电子、环境监测等领域。但是对节点的传统电池供电方法已经成为WSNs发展的一个重要阻碍。第3代合作伙伴计划3GPP(3rd Generation Partnership Project)组织新制定的IoT技术标准要求,WSNs节点在正常工作下的电池供电寿命要长达十年以上[1]。因此,收集环境能量被认为是解决这一挑战的有效方法之一[2]。

振动是环境中广泛存在、能量密度较高的一种能量形式,如大自然中水和空气的流动,工业机器运转、交通工具运行和人体运动时产生的振动等都具有振动能。振动能的俘获形式主要有:电磁式、静电式和压电式,其中由于压电式俘获装置因结构简单,无电磁干扰,输出电压高等优势而被广泛采用。

压电式振动能的俘获是利用压电材料的正压电效应,将振动能转化为电能,但是压电材料输出的是交流电,不能直接给电子设备供电,因此,在压电换能器PZT(Piezoelectric Transducer)和负载之间需要一个具有整流、电压调节、阻抗匹配等功能的接口电路[3]。图1所示是标准能量俘获电路SEH(Standard Energy Harvesting),由4个二极管组成的全桥整流电路和一个储能电容构成的。虽然SEH电路结构简单、可靠性高、成本低,但是整流二极管存在阈值电压损失,而且其俘获效率容易受负载的影响,研究表明只有在输出电压是PZT开路电压一半的情况下才是最优的[4]。

图1 标准能量俘获电路SEH

为了提高压电能的俘获效率,Lefeuvre 等人先后提出了并联同步开关电感P-SSHI(Parallel Synchronized Switch Harvesting on Inductor)电路、同步电荷提取SECE(Synchronous Electric Charge Extraction)电路和串联同步开关电感S-SSHI(Series Synchronized Switch Harvesting on Inductor)电路[5-7]。这些电路可以有效提高俘获效率,但均需要额外的电路来控制开关。为此,Qiu J等人提出了一种无源触发电路,分别将其应用于SECE电路和P-SSHI电路,实验结果显示最大输出功率比SEH电路分别提高2.6倍和7倍[8];Junrui Liang等人提出了一种自供电的同步开关电感SP-SSHI(Self-Powered Synchronized Switch Harvesting on Inductor)电路,较之于SEH电路,最大输出功率可提高200%[9];Shi Ge等人提出了一种高效的自供电同步电荷提取SP-ESECE(Self-Powered Efficient Synchronous Electric Charge Extraction)电路,该电路省略了传统SECE电路中的整流桥结构,并且回收了峰值检测电容中的储能,实验测试结果显示SP-ESECE电路的最大俘获效率达到了SEH电路的三倍[10]。

热能俘获有多种形式,其中对温差热电能俘获的研究尤其受到研究者们关注。热电换能器TEG(Thermoelectric Generator)是一种基于塞贝克效应、利用不同材料的两端在不同温度下能直接将温差转化成电能的温差发电装置,较之于其他俘能方式有3个优点:使用过程中不需要人为干预;没有运动部件,可靠性高,工作噪音低;对周围环境没有影响[11]。温差热电能俘获的最大挑战就是TEG产生的电压通常比较低。文献[12]指出在5 ℃温差的环境中热电偶输出电压可达到236 mV～265 mV,但这仍低于标准CMOS工艺的阈值电压,电路无法正常工作[13]。为了克服这个缺点,研究人员提出了给输出电容预充电、增加机械辅助开关、采用外部时钟或者变压器的启动电路等方法[14]。但是这些方法都无法从根本上实现能量俘获系统的自启动、自供电。尽管Yi-Chun Shih等人提出了一种不使用外部激励和电感的三级电荷泵结构的升压电路,但是其俘获效率最高只有58%,而且最低的启动电压需要达到270 mV[15]。

近年来,人们试图通过俘获多种环境能量来为无线传感网络节点供电,例如,Young-Sub Yuk等人提出了俘获振动能和热能的电路结构[16];Carlos H P Lorenz等人则研究了对微波和振动能进行俘获,发现在相同激励条件下,俘获的总功率明显高于单一能源的俘获[17]。Hsieh Y T等人提出了一种混合式能量俘获电路,先将振动能和太阳能共同存储在一个储能电容上,然后经过一个电感升压电路再为负载供电,但是这种结构直接让两种不同形式的能量为同一电容充电,会导致不同能量之间相互影响,致使电流驱动能力下降[18]。Kye-Seok Yoon等人提出了一种可同时从PZT和TEG俘获能量的接口电路,但是该电路采用了有源控制电路模块,需要外部供电电源才能启动[19]。

虽然现有的混合能源俘获电路相比于单一能源俘获电路可以俘获更多的能量,但是这些电路结构要么采用时分复用的方法,通过比较两个环境能源的能量密度,选择能量密度高的一种进行俘获,无法实现同时俘获两种形式的能源;要么需要外部供电电源才能正常工作。

为此,本文提出了一种自供电的混合式同步电荷提取HSP-SECE(Hybrid Self-Powered Synchronous Electric Charge Extraction)电路。所提出的HSP-SECE电路首先将TEG产生的电荷进行储存,通过压电电压峰值检测,达到峰值时进行压电振动能和温差热电能的同步提取,并且该电路具有自供电、自启动等优点。

1 电路工作原理

1.1 压电等效电路模型

PZT在受到外力挤压的情况下会发生形变,引起压电元件内部的电子流动而产生电流。PZT的机电耦合等效模型如图2(a)所示。机械域中,Lm表示机械质量,Cm表示机械强度,Rm表示机械阻尼;电气域中,Cp表示PZT的寄生电容。机械域和电气域之间是一个耦合系数为n的变压器。在近谐振情况下,PZT可以等效为一个非耦合的电路模型,如图2(b)所示,其中Ip为正弦电流源,与寄生电容Cp和电阻Rp并联构成电路模型[20-21]。

图2 压电等效模型

1.2 热电等效电路模型

将P型和N型两种不同类型的热电材料一端相连形成热电偶链,将热电片的两端分别置于高温和低温环境,由于热激发的驱动,P(N)型材料高温端空穴(电子)浓度高于低温端,致使空穴(电子)向低温端扩散,电荷积累在低温端,从而在热电片的冷端形成电势差[22]。如图3所示,根据TEG的输出特性,可以将其等效为一个直流电压源和一个电阻串联的电路,且开路电压与温差成正比。

图3 热电偶及热电等效电路

1.3 同步电荷提取电路SECE

理想的SECE电路是在SEH电路的基础上增加了一个电感、一个开关和一个续流二极管。SECE的主要工作原理是根据电感的储能特性,将积累在寄生电容Cp上的电荷转移到负载端。一个周期内,开关大部分时间是断开的,PZT处于开路状态,等效电流源Ip向电容Cp转移能量[23]。如图4所示,SECE电路提取能量的过程主要分为两个阶段:电荷提取和电感续流。在电荷提取阶段,当PZT两端的开路电压达到峰值时,闭合开关S,寄生电容Cp和电感L发生LC谐振,经过1/4个LC谐振周期,电容Cp上积累的电荷被转移到电感L上;然后断开开关S,电路进入电感续流阶段,电感、续流二极管和负载构成一个回路,将电感上存储的能量进一步转移到负载端。

图4 SECE接口电路

图5所示为在理想情况下,电容Cp的电流和PZT开路电压的波形图以及开关S的关断信号,可以注意到,在PZT开路电压达到峰值时,电流过零点,此时开关闭合,电压迅速下降,并且产生一个电流脉冲,这个电流脉冲就是电荷提取的过程。

图5 Cp的电压和电流波形以及SECE的开关信号

SECE电路输出功率是恒定的,原因在于其开关闭合时间等于LCp回路谐振的1/4个周期,并在这段时间内完成全部的电能-磁能的转换,而且与负载大小无关,LCp回路谐振周期可以表示为:

(1)

压电元件两端峰值电压可以表示为:

(2)

式中:α表示压电应力因子,uM表示PZT在机械上的最大位移。

理论上SECE电路的输出功率可以表示为:

(3)

而SEH电路的输出功率可表示为:

(4)

对比式(3)和式(4)不难发现,理想上SECE电路的俘获效率是SEH电路的四倍[24]。

2 电路设计

本文所提出的自供电的混合式同步电荷提取(HSP-SECE)电路如图6所示,主要由TEG、PZT、正/负半周期峰值检测电路、零电位切换电路、Cr、Ct、二极管D1和电感L构成。

图6 混合式同步电荷提取电路

图7 HSP-SECE电路正半周期的4个工作阶段

正半周期峰值检测电路由电容C1,二极管D4、D5,PNP晶体管Q1,NMOS管N1、N2构成;负半周期峰值检测电路由电容C2,二极管D6、D7,PNP晶体管Q2,NMOS管N3、N4构成;零电位切换电路由二极管D2和D3构成,其功能是使PZT两端电压较高的一端接地。

在PZT输出电压信号的正半周期,即Vp端电压高于Vn端,电路主要分为4个工作阶段。

第1阶段:自然充电阶段

如图7(a)所示,PZT的开路电压随着PZT位移的增加而逐渐增大,寄生电容Cp和峰值检测电路中的电容C1一直处于充电状态,同时TEG也一直给电容Ct充电。当PZT的开路电压达到最大值时,等效电流源Ip的电流过零点,此时电容Cp和C1上的电压也均达到最大值,然后电路进入下一工作阶段。

第2阶段:电流反向阶段

如图7(b)所示,随着PZT开始反向移动,等效电流源Ip开始反向给Cp充电,所以Cp上的电压开始减小,由于二极管D4的单向导通性和三极管Q1的阈值电压,因而C1上的电荷无法释放,电压保持不变。当晶体管Q1发射极和基极之间的压差达到晶体管的阈值电压时,MOS管N1导通,电路进入第3个工作阶段。

第3阶段:电荷提取阶段

如图7(c)所示,由于MOS管N1导通,则电感L、电容Ct和Cp构成了一个LC谐振回路,经过1/4个LC振荡周期,电容上积累的能量全部转移到电感上,完成了电能向磁能的转换。与此同时,电容C1上积累的电荷逐渐通过晶体管Q1释放掉,因此MOS管N1的栅极电压开始降低,直到其关断,电感上的电流达到最大值,然后电路进入第4个工作状态。

第4阶段:电感续流阶段

如图7(d)所示,电感L通过续流二极管D1将能量转移到储能电容Cr和负载电阻RL,完成了磁能向电能的转换,同时等效电流源开始反向给Cp充电,完成正半周期的能量同步提取。

在负半周期,压电元件两端的电压被负半周期峰值检测电路检测,并以类似的工作方式完成能量俘获。

值得注意的是,传统的SECE电路在电荷提取阶段只是通过电感L和寄生电容Cp形成一个LC谐振回路,将Cp上积累的能量转移到电感上,而HSP-SECE电路的LC谐振回路还包括温差热电能的储能电容Ct,通过LC谐振将压电能和温差热电能同时转移到电感上,达到了两种能源同时俘获的效果。

3 仿真及分析

对所提出的HSP-SECE电路通过LTspice进行仿真,所采用元器件参数如表1所示。

表1 元器件参数

图8 压电元件两端压差以及电感电流波形

图8所示为PZT的开路电压以及流过电感的电流。可以看到,电感电流只是周期性的瞬间出现,并且与其对应时刻的PZT开路电压瞬间下降为零。当PZT开路电压达到峰值时,通过峰值检测电路来闭合开关管,使电感、电容形成谐振回路,将电容上积累的电荷转移到电感上,然后断开开关,通过续流二极管将电感上的能量转移到负载端。此外,不难发现开关导通时刻和PZT开路电压峰值处存在着一定的延迟,根据文献[9]中的分析可知,这是由于峰值检测电路中的二极管和三极管存在导通压降,导致开关动作时刻和电压峰值之间存在一个相位延迟。

为了便于分析电路原理,我们将开关导通瞬间的相关电流波形放大观察。如图9所示,分别是电感电流、PZT寄生电容Cp上的电流和续流二极管D1上的电流,测试中发现电容Ct上的电流波形和电感电流重合,为了便于观察,图中未予显示。其中电感电流上升阶段是开关导通的阶段,即电荷提取阶段,可以看到Cp上的电流接近电感电流,但在顶部附近小于电感电流。这一方面是因为峰值检测电路中的电容上积累的电荷通过PNP管释放到电感上,另一方面是因为TEG为电容Ct充电,Ct上积累的电荷也在开关导通的瞬间转移到电感上。电感电流达到最大值后,峰值检测电路中电容积累的电荷释放完毕,开关管断开,然后进入电感续流过程,如图9所示,续流二极管的电流迅速上升至和电感电流一样大。

图9 电容Cp、二极管D1和电感L的电流波形

图10 几种接口电路输出功率随负载变化曲线

为了进一步验证HSP-SECE电路的效率和性能,我们进行了分组比较仿真。图10是在同等压电激励、不同负载条件下,SEH电路、SP-SSHI电路[9]以及HSP-SECE电路在有、无温差热电能时的输出功率。可以发现,在500 kΩ的负载区域内,HSP-SECE电路的输出功率受负载影响最小,并且在负载大于100 kΩ时,输出功率随着负载的增加几乎没有变化,可达到SEH电路最大输出功率的2.4倍(Vt=0 mV)。虽然在负载小于5 kΩ的范围内,所比较的几种电路的输出功率都较低,但是HSP-SECE电路的输出功率明显高于SEH和SP-SSHI电路,尤其是在负载小于 1 kΩ 的范围内,HSP-SECE电路的输出功率比 SP-SSHI 电路高出三倍左右,甚至达到SEH电路输出功率的十倍以上。通过比较HSP-SECE电路在TEG开路电压为0 mV和500 mV条件下的输出功率可以发现,当负载大于50 kΩ时,后者的输出功率相比前者提高了16.4%。当负载较小时,后者的输出功率提高的更加明显,如当负载为200 Ω时,后者的输出功率相比前者提高了102%,由此看出HSP-SECE电路在低负载范围内具有明显优势。

4 实验结果与分析

为了对以上理论和仿真分析进行验证,我们搭建了如图11所示的实验平台,其中电路的元器件型号及参数如表2所示。

图11 实验测试平台

整个实验系统主要包括信号发生器、示波器、悬臂梁装置、直流稳压电源、功率放大器、振动台、温差发电装置以及HSP-SECE能量俘获电路等。信号发生器输出的正弦信号,经过功率放大器来驱动振动台,通过调节正弦信号的频率和幅度可以控制振动台的振动频率和幅度。当正弦信号的频率和悬臂梁装置的谐振频率一致时,PZT会工作在谐振状态,此时PZT的输出功率达到最大,因此压电振动能的俘获都是基于PZT谐振状态下完成的。

表2 元件型号及参数

悬臂梁装置由金属质量块、PZT和基座组成,PZT的一端被固定在基座上,另一端(活动端)被固定上一个的金属块,基座被固定在振动台上,当振动台发生振动时,PZT活动端的金属块就会随之摆动,PZT受到外界压力发生形变,从而产生与振动频率一致的电信号。并且通过调节质量块的大小和位置可以改变悬臂梁装置的谐振频率。

温差发电装置由冷水槽、散热片、TEG和PTC加热片构成,散热片与TEG的冷端表面紧密粘贴,并置于冷水槽中,以便快速散热。TEG的热端表面粘贴上PTC加热片,直流电源驱动PTC加热片在TEG的热端保持高温,并且可以通过调节直流电源的输出电压来控制TEG热端的温度。

图12为示波器所测PZT的开路电压波形。PZT两端的开路电压达到峰值后,经过一段延迟后迅速下降,电压开始反向,PZT两端处于开路状态,因此电压片两端压差又开始随着位移的增加而变大,与理论分析和仿真结果相吻合。

图12 示波器显示PZT两端电压差

图13是在PZT激励频率和负载大小保持不变,逐渐增加TEG两边温差和PZT振动幅度情况下,测得HSP-SECE电路的输出功率。可以看到,电路输出的总功率和PZT的振幅以及温差发电片的温差均成正相关。在PZT的振幅保持不变时,输出功率随温差发电片开路电压的增加呈现线性递增的趋势,在温差发电片的两端温差保持不变时,输出功率随着PZT开路电压的增加呈指数式增加。

图13 输出功率随热电电压和压电电压变化曲线

表3给出了HSP-SECE电路与文献[9,15,19]中电路的性能比较。相比于文献[9],HSP-SECE仅需0.5 mH的电感就可以保证电路正常工作,由于所使用的电感值小得多因此体积也小得多,而且具有俘获效率受负载的影响更小的优点;相比于文献[15]中的电荷泵电路,HSP-SECE俘获温差热电能的效率更高,并且可借助压电峰值检测电路实现电荷的同步提取,因此所需的启动电压更低,甚至可以在TEG的开路电压低于50 mV时正常工作;虽然文献[19]中的双模式混合能源俘获电路有更高的俘获效率,但是该电路需要借助外部电源供电才可以正常工作,而HSP-SECE是完全自启动、自供电的,无需外部电源。

表3 与参考文献的比较

5 结论

基于无线传感网络中低功耗节点的自供电问题,本文提出了一种自供电的压电振动能与温差热电能融合采集的HSP-SECE电路。对所设计的HSP-SECE电路进行了原理分析、仿真和实验测试,结果表明所提出的电路可以实现温差热电能和压电振动能的同步采集,与现有的电路相比具有较为明显的优势和特色。