并联电感同步开关压电能量采集电路研究

介绍了基于压电效应的标准能量采集电路,在此基础上设计了并联电感同步开关能量采集电路,通过理论分析和计算,建立了该电路的输出功率数学模型.通过ANSYS压电耦合分析及MULTISIM(电路仿真软件)电路仿真,得到并联电感同步开关能最采集电路比标准能量采集电路的输出电压高出1倍,输出功率高出400％.     

基于频率变换的压电俘能器接口电路设计

设计了一种可以减小匹配电感的双同步开关电感电路。建立了仿真模型,仿真结果表明该电路的能量采集的功率最大可达1.9 mW。与一般同步电荷提取电路相比,该电路可以使整体电路体积减小了2/3。将此电路应用于不同形状的压电片的振动能量俘获,发现振动频率和压电片的形状对该电路收集到的能量都有影响,当振动频率为40 Hz时,在矩形压电片上收集到的能量最多。     

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。     

基于同步电荷提取的高效多压电能俘获电路设计

本文提出了一种基于同步电荷提取的高效多压电能俘获电路(High Efficiency Multi-piezoelectric Energy Harvesting Circuit Based on Synchronous Electric Charge Extraction,EM-SECE).所提出的电路利用改进的正负峰值检测结构,减小了压电元件(Piezoelectric Transducer,PZT)达到电压峰值处和开关动作之间的相位差,从而提高了单个压电元件的能量收集效率.并且利用单电感的时分复用,实现基于单电感的多个压电元件振动能俘获.所提出电路具有无整流桥结构,且可以实现自供电的特点.实验结果表明,相同实验条件下,单压电EM-SECE电路的俘获功率为标准能量俘获电路(SEH)最大功率的3.09倍;在仅用一个电感的情况下,双压电EM-SECE电路的俘获功率为两个单压电EM-SECE电路之和的97％.     

一种高效压电式能量回收接口电路的优化设计

阐述了几种压电发电机接口电路的工作过程和原理,包括标准能量回收电路,同步电荷提取电路,并联同步开关电感电路,串联同步开关电感电路和双同步开关电感电路,并从阻抗匹配角度分析了以上五种电路输出最大功率时的最佳负载阻抗范围。为了最大化地回收自然界中的振动能量,以双同步开关电感电路为例,针对其控制过程复杂且要求精确的特点,提出了一种具体的硬件电路实施策略并进行了Pspice仿真。仿真结果与理论值吻合。     

低功耗自供电压电能量管理电路的研究

为了提高压电能量采集系统的采集效率,该文提出了一种用于压电能量采集的自供电能量管理电路。采用基于并联同步开关感应(PSSHI)技术的有源全桥整流电路来提高压电采能器的功率,降低整流电路上的导通损耗;采用低功耗稳压降压集成芯片配合超级电容器,实现能量的高效采集存储。仿真结果表明,在模拟输出电压幅值为20 V时,该整流电路的输出功率为1.084 6 W,比传统整流电路的平均输出功率提高了16.8%,在最高输出电压为5 V时,30 s内储存能量可以达到4.137 1 J。     

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。     

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。     

自供电隔离比较器LTC1531的原理与应用

LTC1531是Linear Technology公司生产的隔离自供电双差分比较器。它内部的容性隔离势垒可为比较器和输出间提供3000V（均方根值）的隔离,可广泛用于各种电路。文中介绍了自供电隔比较器LTC21531的原理和特点,并给出了LTC1531的多种应用电路。     

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。     

压电振动能量收集电路的设计与实验研究

压电材料可将机械振动能转换为电能,但其产生的电能较小且具有交流特性,有必要建立储能电路将压电振动产生的电能储存起来并输出稳定的直流电。根据压电构造方程,建立压电振动能量收集系统的耦合场数学模型,对输出电压和最大输出功率进行数值模拟。设计与制作了一种以电容为储能介质的储能电路,通过电压比较器和电压调节器来保证稳定的直流输出。实验结果表明该储能电路能提供稳定的2.24V的直流输出电压,储能效率最高可达66.3%,并分析其能耗及误差产生的原因。     

一种基于新型欠压闭锁电路的能量收集方法

目前自供电无线压电传感器网络已被广泛应用在智能家居及环境监测等领域。组成网络的每个压电传感器节点需要完成不同功耗的任务,如数据采集、存储等低功耗任务和数据无线传输的高功耗任务。针对低功耗和高功耗任务,该文设计了基于新型欠压闭锁电路的双模组能量收集电路,电路具有蓄能周期短和容量大的特点,可分别用于低功耗任务的低功耗级蓄能模组和高功耗任务的高功耗级蓄能模组,解决了传统单模组能量收集电路因压电传感器节点工作时能量不足或充电过于频繁导致传感器网络无法正常工作的问题。实验结果表明,采用新型欠压闭锁电路的能量收集电路最短蓄能周期仅10 min,能量收集电路最长可驱动压电传感器节点在高功耗模式下工作52 s,是解决自供电无线压电传感器网络能量供给问题的有效办法。     

基于微尺度压电振动发电机的微电源设计

为弥补传感器网络传统供电存在的不足,该文设计了一种基于微尺度压电发电机的微电源,其可有效拾取周围环境中的振动能量,从而为低功耗的传感器系统提供电能。该电源由具有微尺度效应的微振动发电机与外部高效的无源峰值监测开关电路集成而得,结合Matlab仿真分析可知,其输出电压可达0.24V;无源峰值监测开关电路能保证压电片间电荷的全部输出,与具有经典接口的微电源相比其输出功率提高了3倍。     

一种光伏模拟电源的设计

为给被测试的光伏逆变器提供一个测试其最大功率点性能的环境,设计了一种光伏模拟电源。其主要由整流滤波电路和DC/DC电源组成。整流滤波电路将交流电变成直流,开关电源部分完成降压功能,通过将输出电压采样送入误差比较器中与控制器RAM中的电压进行比较,来控制输出电流和电压,使其工作在对应的I-V曲线上。文中设计的光伏模拟电源可人为地输入温度和日照来模拟太阳能光伏曲线。     

直管谐振式低频压电声能量回收系统

为了高效回收环境中的声能,基于阵列式压电换能器、直管谐振腔以及能量回收电路提出了一种声能量回收系统.当声波进入直管谐振腔,管中产生谐振驻波作用于压电换能器,将声能转换为电能.本文设计了能量回收电路并且进行理论、仿真分析实验研究了压电振子数量、声波频率、声压级对输出电压的影响,分析了负载电阻对输出电压及功率的影响.实验结果表明,该装置可回收不同频率的声能量,在声波频率为96Hz时发电效果最优.当入射声压级为110dB时,不使用能量回收电路,输出交流电压有效值最高达12.9V,输出交流功率最高达到799μW;使用设计的能量回收电路,最高输出直流电压为64.2V,最高输出直流功率为473μW.该声能量回收系统不仅可以作为声能量采集器,还能对无线传感节点等独立工作的微型电子系统供能.     

同步降压DC-DC转换器驱动级设计

提出一种输入电压为4.5～23 V、输出电流可达3A的同步降压转换器的驱动级,内部集成了电平移位、死区时间控制及同步管反向电流限制等功能.设计了一种为内部逻辑供电的低压电源,使驱动级大部分可以由低压器件构成,与外部电源供电的驱动级相比,大大减小了芯片面积.分析了该电路的结构与工作原理;采用0.6 μm BCD工艺,通过HSPICE进行仿真,证明该驱动级方案切实可行.     

新型电源集成块ICE2A165解析及应用电路设计

为了提高电源的稳定性,降低故障率,同时又能简化电路,节省成本,介绍一种新型电源集成块ICE2A165,利用ICE2A165设计了一款开关电源。ICE2A165内含场效应开关管,可以直接激励开关变压器工作,再辅以精密三端比较器和光电耦合器就构造出了高性能的开关电源。通过合理选择外部元件的参数,可以使开关电源既有较宽的稳压范围,又有比较灵敏的保护特性。这样既拓宽了电源对市电的适用能力,又降低了故障几率。实践表明,基于ICE2A165的开关电源能在110～240 V交流环境中稳定输出+5 V和±12 V,长时间工作,电路也非常稳定可靠。     

Fingerprint‐Inspired Conducting Hierarchical Wrinkles for Energy‐Harvesting E‐Skin

In the field of bionics, sophisticated and multifunctional electronic skins with a mechanosensing function that are inspired by nature are developed. Here, an energy‐harvesting electronic skin (energy‐E‐skin), i.e., a pressure sensor with energy‐harvesting functions is demonstrated, based on fingerprint‐inspired conducting hierarchical wrinkles. The conducting hierarchical wrinkles, fabricated via 2D stretching and subsequent Ar plasma treatment, are composed of polydimethylsiloxane (PDMS) wrinkles as the primary microstructure and embedded Ag nanowires (AgNWs) as the secondary nanostructure. The structure and resistance of the conducting hierarchical wrinkles are deterministically controlled by varying the stretching direction, Ar plasma power, and treatment time. This hierarchical‐wrinkle‐based conductor successfully harvests mechanical energy via contact electrification and electrostatic induction and also realizes self‐powered pressure sensing. The energy‐E‐skin delivers an average output power of 3.5 mW with an open‐circuit voltage of 300 V and a short‐circuit current of 35 µA; this power is sufficient to drive commercial light‐emitting diodes and portable electronic devices. The hierarchical‐wrinkle‐based conductor is also utilized as a self‐powered tactile pressure sensor with a sensitivity of 1.187 mV Pa^‐1 in both contact‐separation mode and the single‐electrode mode. The proposed energy‐E‐skin has great potential for use as a next‐generation multifunctional artificial skin, self‐powered human–machine interface, wearable thin‐film power source, and so on.     

A novel interface circuit for triboelectric nanogenerator

For most triboelectric nanogenerators (TENGs), the electric output should be a short AC pulse, which has the common characteristic of high voltage but low current. Thus it is necessary to convert the AC to DC and store the electric energy before driving conventional electronics. The traditional AC voltage regulator circuit which commonly consists of transformer, rectifier bridge, filter capacitor, and voltage regulator diode is not suitable for the TENG because the transformer''s consumption of power is appreciable if the TENG output is small. This article describes an innovative design of an interface circuit for a triboelectric nanogenerator that is transformerless and easily integrated. The circuit consists of large-capacity electrolytic capacitors that can realize to intermittently charge lithium-ion batteries and the control section contains the charging chip, the rectifying circuit, a comparator chip and switch chip. More important, the whole interface circuit is completely self-powered and self-controlled. Meanwhile, the chip is widely used in the circuit, so it is convenient to integrate into PCB. In short, this work presents a novel interface circuit for TENGs and makes progress to the practical application and industrialization of nanogenerators.     

A self-powered piezoelectric energy harvesting interface circuit with efficiency-enhanced P-SSHI rectifier

The key to self-powered technique is initiative to harvest energy from the surrounding environment.Harvesting energy from an ambient vibration source utilizing piezoelectrics emerged as a popular method.Efficient interface circuits become the main limitations of existing energy harvesting techniques.In this paper,an interface circuit for piezoelectric energy harvesting is presented.An active full bridge rectifier is adopted to improve the power efficiency by reducing the conduction loss on the rectifying path.A parallel synchronized switch harvesting on inductor (P-SSHI) technique is used to improve the power extraction capability from piezoelectric harvester,thereby trying to reach the theoretical maximum output power.An intermittent power management unit (IPMU) and an output capacitor-less low drop regulator (LDO) are also introduced.Active diodes (AD) instead of traditional passive ones are used to reduce the voltage loss over the rectifier,which results in a good power efficiency.The IPMU with hysteresis comparator ensures the interface circuit has a large transient output power by limiting the output voltage ranges from 2.2 to 2 V.The design is fabricated in a SMIC 0.18μm CMOS technology.Simulation results show that the flipping efficiency of the P-SSHI circuit is over 80％ with an off-chip inductor value of 820 μH.The output power the proposed rectifier can obtain is 44.4μW,which is 6.7× improvement compared to the maximum output power of a traditional rectifier.Both the active diodes and the P-SSHI help to improve the output power of the proposed rectifier.LDO outputs a voltage of 1.8 V with the maximum 90％ power efficiency.The proposed P-SSHI rectifier interface circuit can be self-powered without the need for additional power supply.