具有电路状态控制的低功耗压电能量采集电路设计＊

李许军，姜毅龙

（甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741001）

在自然环境中大多数机械能具有不连续和随机不可控性，利用压电能量采集器可以将机械能转化为电能，但电能转换需专用的能量采集接口电路，才能有效提高能量的采集效率。早在2008年，某地铁站人行通道上利用行人走路使压电能量采集系统产生电能，为电子设备供电[1]；2012年有学者设计道路车辆压电能量采集系统，利用汽车轮胎碾压路面上压电能量转换装置，将械能转换为电能[2]；2017年，有学者设计了一种水流压电能量采集系统，通过水流产生的机械能转换为电能[3]；2017年，有学者设计了一种高效率的电磁机械能量采集器，装置分为交直流变换器和DC-DC变换器，系统可以实现阻抗匹配，提高了采集效率，稳定的输出5V电压[4]；2018年有学者设计了一种移动车辆作用桥梁系统的振动能量俘获的模型，实验表明该系统能有效地收集桥梁系统的振动能量[5]；2021年有学者设计了一种压电能量采集器接口电路，通过优化整流电路降低了整流二极管导通损耗，提高了压电能量采集效率[6]。

采集不同类型的环境能量需要专门的能量采集器，因此能量采集器设计重点是不同的[7-10]。目前，大部分文献表明，能量转换电路的设计重点在于采用低功耗器件、阻抗匹配、电路拓扑等方法来提高能量采集效率[11-13]，但很少考虑当采集环境能量较低时控制采集电路的工作状态来降低功耗。本文考虑外部输入能量大小的情况，设计了一种低功耗压电能量采集电路来提高能量采集效率。

1 低功耗压电能量的采集电路设计

1．1 压电能量采集器的系统设计

压电能量采集系统如图1所示，系统由压电电能转换电路、压电元件和储能设备组成。压电电能转换电路由AC-DC整流器、DC-DC开关变换器、振荡器、工作状态控制电路4部分组成。

图1 压电能量采集器系统框图

1．2 阻抗匹配电路

Buck-Boost型DC-DC开关变换器的等效电路如图2（a）所示，变换器的等效输入阻抗与外部负载大小无关[14]，在外部能量输入不连续的情况下，设置合适的电感L、开关周期Ts和开关信号占空比D的值，就能实现压电能量转换电路的输入输出阻抗匹配[15]。采用这种阻抗匹配方法电路结构简单，能够实现压电能量转换电路最大功率输出。

图2 Buck-boos型DC-DC开关变换器等效电路

开关变换器的等效输入阻抗为：

图2（b）为Buck-Boost型DC-DC开关变换器开关信号占空比D与电感L的电流波形图。

Buck-boos型DC-DC 开关变换器工作条件[16]为：

其中：Vin-max是开关变换器最大输入电压，Vo-min是开关变换器最小输出电压。

要确定DC-DC开关变换器的占空比D值，首先根据电源输出电压纹波要求，选择合适的电感L值和开关周期 Ts，电路达到阻抗匹配，即 Rinput＝Routput，依据（1）式，得到开关信号占空比。

在非连续随机压电能量输入Buck-boost型DC-DC开关变换器工作状态下，变换器最大的功率消耗在MOSFET开关管和二极管Dio上[17]。假设开关变换器中MOSFET开关管的等效导通电阻为Ron，二极管Dio的导通电压为Vdiode，电感L的等效串联阻抗为RL，在开关变换器导通Ton和关断Toff阶段，MOSFET开关管和二极管Dio的损耗PLoss_on和PLoss_off分别如式（3）和式（4）表示：

从式（3）、（4）可以看出，通过减小 MOSFET 开关管的导通电阻Ron和电感L的等效串联阻抗RL，可以减小MOSFET管和二极管中的通断损耗，从而提高电能转换效率。

1．3 振荡器电路

振荡器电路如图3所示，电路输出信号用于驱动MOSFET开关管M1。运算放大器A1与外围元件构成振荡电路，输出固定占空比D和周期Ts的方波信号，为了实现对占空比D和周期Ts的调节，可以通过调节电阻R1、R2或电容CC大小达到。

图3 振荡器电路

1．4 电路工作状态控制电路

电路工作状态控制电路由图4中MOSFET开关管M2、比较器A2及外围电路组成，其功能是当电路检测到有电能输入时，判断并控制压电能量转换电路工作状态。比较器 A2与电阻 R6＝R7、R8＝R9构成了增益为R8／R6的差分放大器，用于放大电容Cin两端的电压VCin，比较器A2的输出电压VA2＝（R8／R6）×VCin。VA2用于以控制 MOSFET 开关管 M2的通断。

图4 低功耗压电能量采集电路

图4为低功耗压电能量采集电路。工作原理是，当外接机械能触发压电元件PZT将其转换为电能时，整流电路开始工作并向电容Cin中充电，Cin两端电压VA2逐渐增大，当VA2大于MOSFET开关管M2的阈值电压VthNM2时，开关管M2导通，致使振荡器V1开始工作输出信号VA1，VA1经反相器 A3输出驱动信号 VA3，MOSFET开关管M1导通，压电电能转换电路进入正常工作状态，向外部开始供电。反之，当PZT产生的电能太小时，Cin两端电压小于M2的阈值电压，导致MOSFET开关管M2关断，振荡器仍处于停止工作状态，能量采集电路处于停止工作状态，进入休眠模式，MOSFET开关管M1和二极管Dio上无功率损耗，减小了电能损耗。

图4中，比较器A2的电源电压为系统的输出电压Vo（即Vout＝Vo），当VA2小于Vo时，VA2＝（R8／R6）×VCin，VA2大小随VCin成正比变化，当VA2值增大到Vo时，VA2不再随Vo变化。因此，只有VCin上升到一定值的时候，采集电路才开始工作，此时这个VCin的值为电路开启工作的最小电压VCin-min：

2 压电能量采集系统的功能验证

2．1 压电能量采集电路的元器选择

在满足输出电压电流性能下，电路器件尽量选择低功耗的器件，制作完成了实验电路，通过实验验证电路有效性和工作性能，电路主要器件如表1所示。储能器件采用18650锂电池，同时锂电池可以为电路提供工作电源，实现系统的自供电。

表1 压电能量采集电路的器件

2．2 纯阻性阻抗匹配

Buck-boost型DC-DC开关变换器电路的等效输入阻抗为 Rin＝2L／D2Ts，结合比较器的性能，设置Ts＝10kHz、电感L＝2．2mH，根据（2）式计算出开 DCDC关变换器的占空比D＝0．047，设定电路进入工作时的门槛电压为0．7V。

如图5为压电能量采集电路输出阻抗的实验测试波形，波形显示输出电压随着接入电路外部负载的增大而增大，但是输出功率呈现出先递增再减小的走向，当外接负载达到25kΩ时，输出功率达到最大值。

图5 DC-DC开关变换器输出负载特性曲线

2．3 电路的功能测试

压电能量采集器的压电装置采用悬臂梁结构，特点是输出的电压较高。通过电动机带动敲击棒敲击压电片振动产生电能，利用信号发生器的输出方波控制电动机转速和转向，模拟外界随机机械能。实验以电机带动敲击棒连续敲击2次压电材料，检测压电能量采集系统的采集电能情况，电路中输出电压及主要控制信号波形如图6所示。

图6 输出电压及主要控制信号波形

图6 中曲线 1、2、3 分别为 VCin、VA1、VA3的电压波形。如图显示，当电容Cin两端电压VCin大于0．7V后，电路开始工作，VCin逐渐增大，持续约100ms到达最大值，又开始减小，持续约200ms，电容Cin两端电压VCin小于0．7V，电路停止工作，进入休眠模式。在一个能量采集工作周期内，电路分为工作时间和休眠时间，当采集电能电压达到设定的门槛电压后，电路开始能量采集转换和存储；反之，当输入的电能过低，电路停止工作，进入休眠状态。因此，当非连续随机压电能量采集器中加入工作状态控制电路后，电路在外界没有能量输入或能量过小时，工作状态控制电路控制DC-DC开关变换器停止工作，大幅度地降低了DC-DC开关变换器功耗，提高了系统压电能量采集效率。

3 结论

在非连续随压电能量采集电路中，为提高压电能量采集效率，设计了一种具有电路状态控制的低功耗压电能量采集电路，为了验证电路的有效性，完成了实验电路搭建。实验表明，当电动机以一定的转速带动敲击棒敲击压电片后，具有电路状态控制的压电能量采集电路能够有效降低电路功耗。该电路可以广泛应用于无线感知节点，代替电池给无线传感器节点等设备供电，实现系统自供电。