一种具有冷启动功能的自供电压电能量收集系统

程 波, 程 心, 张 章

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230601)

物联网技术的应用已经渗透到人们生活的方方面面,尤其是军事、环境、医疗、工业及农业等领域,物联网中的大多数无线网络节点都存在自供电问题,能量收集技术是解决该问题的一种方法。传统的可收集能量包括光能、热能及振动能[1],其中,振动能以其高功率密度、高能量转换率等优点在能量收集领域中引起越来越多的关注。研究人员提出许多不同类型的振动能传感器,如静电式、压电式及电磁式。在这些传感器中,压电传感器(piezoelectric transducers, PT)由于具有高稳定性而广泛用于环境振动能量收集。然而,从压电传感器中传导过来的能量是不能直接用于驱动负载电路的,需要接口电路来整流并且储存这些能量。在所有接口电路中,全桥整流器(full-bridge rectifier, FBR)电路是使用最广泛的电路,但是其效率很低、损耗也很大;而与FBR电路相比,并联同步开关电感收集(parallel synchronized switch harvesting on inductor, P-SSHI)电路能够极大地提升能量收集效率,被认为是目前压电能量收集中最有效的接口电路[2-4]。

在压电能量收集系统中,为了保证P-SSHI电路的正常运行,需要一个稳定的直流电源。但是,当系统处于冷态时,可能无法获得稳定的直流电源,这将导致P-SSHI接口电路无法启动,进而导致整个系统无法摆脱冷态。系统冷态是由于系统存储的能量降低到零水平或长时间没有收集能量而造成的。因此,冷启动电路是确保压电能量收集系统正常运行的关键[5],也是实现系统自供电必不可少的一个重要环节。

本文提出一种具有冷启动功能的自供电压电能量收集系统。根据压电材料的物理特性,采用分离电极的设计帮助系统进行冷启动;采用双负载电容结构,来实现系统的自供电;在系统的P-SSHI接口电路中采用有源二极管结构代替传统的二极管,实现了更高的整流效率和更低的功率损耗;采用锂电池与低压差线性稳压器(low dropout regulator, LDO)相结合的方式,可以同时输出1.2、1.8 V 2种负载电压。

1 压电能量收集系统

1.1 传统的压电能量收集系统

压电能量收集系统中2种常用的接口电路如图1所示。图1中:IP为压电传感器的等效电流源;VPT为压电传感器两端电压差;阴影部分表示没有收集到的能量。从图1b可以看出,FBR电路的收集效率低且损耗大;从图1d可以看出,IP中的阴影部分明显减少,因此收集效率得到提高,损耗降低。

图1 FBR电路与P-SSHI电路及其IP、VPT波形

1.2 冷启动问题研究

在压电能量收集电路中,压电传感器的开路电压VOC、整流电压VL及二极管压降VD之间关系为:

VOC>VL+2VD

(1)

由(1)式可知,VOC应足够大才能开启整个电路,因此,关键在于如何增加VOC。压电传感器振动时悬臂的应变分布与区域长度之间的关系如图2所示。由于机械形变引起的应变沿着悬臂的长度从夹紧端到自由端逐渐减小,悬臂分为3个区域:区域1是高应变区域,其靠近夹紧端,但是面积很小;区域2是低应变区域,其位于材料的中间并且具有相对较大的面积;区域3是在材料自由端附近的零应变区域[6]。

图2 沿悬臂长度的应变分布曲线

因为压电传感器振动产生的VOC与其应变程度成正比,所以区域1产生的VOC比区域1和区域2加起来所产生的VOC要高得多。

本文作出如下设想:当系统处于冷态时,区域1连接到系统,同时区域2断开连接,系统可以通过区域1的高VOC值来启动整个系统。当系统收集到足够的能量来为P-SSHI电路供电时,则连接区域2,系统收集整个压电材料的振动能量。

1.3 本文提出的压电能量收集系统

本文提出的压电能量收集系统示意图如图3所示。该系统主要由P-SSHI模块、冷启动模块、电荷泵模块及多输出负载模块组成。P-SSHI模块将压电能量整流为直流电压VL,同时产生系统自供电电压VDD;冷启动模块通过控制信号KH、YH控制开关MN0、MP0的导通关断,实现系统在冷态下的启动;电荷泵模块为P-SSHI模块和冷启动模块中的电平移位器提供高电平VDDH,以保证电平移位器的正常工作;输出电压VL和VDD分别为不同输出负载供电。

图3 本文提出的压电能量收集系统

根据前面的分析,系统工作过程可以分为2个阶段:第1阶段,KH和YH为低电平,每个模块电路均未启动,此时系统处于冷态,系统只能用作全桥整流,仅收集区域1的能量,直到收获稳定的电压VDD以摆脱冷态为止;第2阶段,系统保持VDD稳定以开启P-SSHI模块,此时,区域1和区域2连接在一起,整个系统都得到运行以收集更多的能量。

视觉航标，又称目视航标，是可以直接目视观测的助航标志，颜色与形状特点是非常容易让人辨认的，航海人员在白昼直接观察标身的颜色、形状和顶标，视觉航标也可安装灯器及其他设备，在夜间识别需要观察航标的灯光节奏和灯光颜色。视觉航标包括有水上灯桩、浮标、灯浮标、灯船等水上浮动航标和灯塔、立标、导标等固定航标。

2 电路实现

2.1 P-SSHI整流电路

本系统采用的P-SSHI接口电路如图4所示,该电路包括开关控制模块、有源整流模块及过零检测模块。

图4 本文采用的P-SSHI电路图

在有源整流模块中,采用有源二极管代替传统的肖特基二极管来构成整流桥,以防止电流回流并减小整流路径的导通电阻。此外,有源整流电路的上半桥采用交叉耦合的PMOS结构,下半桥采用比较器和NMOS晶体管结合的结构,可以有效减少整流损耗[7-8]。

在图4中,当压电传感器的等效电流源IP通过零点时,就是电压 |VA-VB|(即图1d中的VPT)达到峰值的时候。当VA或VB从负峰值上升时,过零检测模块中的2个比较器通过比较VA、VB和Vref0的大小,分别输出Q1和Q2。这里基准电压Vref0设置为略大于-VD的值,VD是有源二极管的压降。然后,Q1和Q2通过逻辑电路得到信号FP、FN,最后生成分别控制开关控制模块中2个开关SW1、SW2的信号F1和F2。当F1或F2变为高电平时,表明电流源IP经过零点,此时开关SW1或SW2导通以形成LC谐振回路,最初存储在电容CP中的能量被传递到电感L上,当电压翻转时,电感L中的能量再返回到CP。P-SSHI电路可加快电压翻转,从而降低整流损耗并提高整流效率。

2.2 电荷泵电路

因为所提出的系统使用许多大尺寸的MOS晶体管作为开关,而电压VDD可能太低而无法完全驱动这些开关,所以系统需要使用DC-DC升压电路。本系统使用的电荷泵升压电路如图5所示。该电路可以实现3倍升压,即输出电压VDDH=3VDD,它由环形振荡器、分频器、不重叠信号发生器、电平转换器及开关电容组成。

图5 本文所用电荷泵电路图

该电路工作原理如下:环形振荡器产生频率为8 kHz左右的时钟信号RO,通过分频器产生1 kHz的信号FD,再通过不重叠信号发生器产生2个不重叠的时钟信号,并通过电平移位器转换为f1和f2,用于控制开关电容,从而实现3倍升压的功能。

2.3 冷启动电路

基于分离电极理论的冷启动电路如图6所示。该电路主要由电容充电模块和连接控制模块组成,其功能是产生2个控制信号YH和KH。电容充电模块通过电阻R1和R2,将分压后的VDD与参考电压VBG进行比较,并输出信号Y0,该信号通过电平转换器升压到YH,以控制PMOS开关MP0的导通关断。由于在系统中VDD需要稳定在1.5 V左右,因此当VDD尚未达到1.5 V时,YH为低电平,MP0导通并且CL为CDD充电;当VDD达到1.5 V时,YH达到高电平以关闭MP0,这样VDD就可以稳定在1.5 V左右。在连接控制模块中,Y0经过D触发器产生信号K0,电平移位器再将K0移位成高电平信号KH。当VDD达到1.5 V时,KH上升到高电平以导通图3中的开关MN0,从而可以将图2中的区域1和区域2连接在一起,此时系统开启P-SSHI模块摆脱冷态,系统同时收集区域1和区域2的能量以增加收集的功率。

图6 冷启动电路图

2.4 多负载输出电路

本系统中使用的多输出负载电路如图7所示。在2.3节中提到电容CL和CDD通过一个栅极电压为YH的PMOS开关管MP0连接,YH为低时MP0导通,YH为高时MP0截止。但是,随着系统能量的积累,MP0的源极电压VL将不断上升。当VL上升至5.2 V左右时,即使YH处于高电平,开关也无法正常关闭,这会导致VDD充电至高于1.5 V的电压;没有稳定的电压,系统将无法正常工作,因此,这里使用1.8 V锂电池来收集多余的能量,锂电池与电容CL并联连接。当VL达到5.0 V时,锂电池将充电以吸收多余的能量,从而确保MP0的正常开关功能,因此VDD可以始终保持稳定在1.5 V。

图7 本文采用的多输出负载电路图

3 仿真结果与分析

将本文提出的压电能量收集系统在TSMC 0.18 μm CMOS工艺中进行设计和仿真。P-SSHI电路中的压电传感器电压VPT、电压翻转信号FP、整流电压VL以及冷启动电路产生的控制信号YH、KH波形如图8所示。从图8可以看出,该系统的工作过程分为FBR和P-SSHI 2个阶段,通过VPT波形可以看出系统从低压状态下逐渐升压到最后正常运行。当FP从0 V上升到1.5 V时,系统从FBR阶段进入P-SSHI阶段,VL也逐渐升高,并最终稳定在5.0 V左右,这意味着系统按照预期运行。当VDD尚未达到1.5 V时YH和KH均为低电平;当VDD达到1.5 V时,YH和KH上升至4.5 V,系统驱动P-SSHI电路并开始收集区域1和区域2的能量。

系统稳定后在P-SSHI阶段的某个时刻,VPT、FP及VL的放大波形如图9所示。从图9可以看出,VPT翻转时存在电压损失VT。电路电压翻转效率ηF计算公式为:

(2)

这里VT=3.5 V,VL=5.0 V,因此该电路的ηF=85%。

图8 VPT、FP、VL以及冷启动电路产生的控制信号YH、CH波形

图9 P-SSHI阶段的VPT、FP及VL的放大波形

电荷泵中主要信号的波形如图10所示。环形振荡器产生频率为8 kHz的信号RO,分频器产生频率为1 kHz的信号FD,不重叠信号发生器和电平转换器产生开关信号f1和f2。从图10可以看出,VDD保持稳定在1.5 V,而VDDH保持稳定在4.5 V,即实现了3倍升压的功能。

图10 电荷泵主要信号波形

本系统在不同电感条件下能量收集功率的波形如图11所示。本系统使用片外高品质因数电感,电感值升高可以有效降低翻转电压时的损耗。当电感为1 mH时,FBR阶段的收集功率为6 μW,而P-SSHI阶段的收集功率可以达到35 μW,因此后者的能量收集功率是前者的5.8倍。

本系统的主要性能以及与文献[5-6]电路的对比见表1所列。

由表1可知,与文献[5-6]系统相比,本系统不仅在整流翻转效率和输出功率等性能上得到极大提升,而且增加了系统冷启动和多输出的功能,使系统具有更强的实用性。

表1 本文与文献[5-6]电路的对比

4 结 论

本文提出一种基于P-SSHI的单输入多输出压电能量收集系统，可以在低激励水平下进行冷启动。仿真结果表明:该系统采用P-SSHI整流结构的电压翻转效率达到85%;输出功率得到显著提高,是同等激励条件下传统全桥整流电路输出功率的5.8倍;系统可以同时输出1.2、1.8 V 2种稳定电压,为不同的负载供电。该系统可以有效解决物联网无线网络节点的自供电问题。