摘要：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(P-SSHI)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20V时，该整流电路的输出功率为1.0846W，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5V时，30s内储存能量可以达到4.1371J。
关键词：压电能量采集;能量管理;有源二极管;并联同步开关感应(P-SSHI);自供电
0引言
随着无线技术的发展、网络数量的增加和设备尺寸的减小，替换耗尽的电池变得不切实际，环境能量采集技术作为解决无线传感器网络节点终身供电问题的一种潜在技术受到广泛关注[1-2]。与环境中的其他能源相比，振动无处不在，且较少受到光照、温度、距离等外部因素的干扰。振动能量主要有压电式、静电式、电磁式[3]3种采集方式，与其他方式相比，压电振动能量采集装置具有结构简单，无电磁干扰，使用寿命长，易于小型化，机电转换性能好和能量密度高等优点[4]，在智能可穿戴设备、无线传感设备等领域具有较好的应用前景，可以取代电池供电，延长器件工作寿命[5]。
压电采集器输出的是交流正弦信号，需要通过整流器将其转换成直流电压，为微电子设备供电。压电能量采集系统的主要挑战是能量采集电路、能量管理电路和能量存储单元的超低功耗需求、能量最大效率的传输及高效存储[6]，为了提高能量的采集、转换、存储的效率，压电式换能器、AC/DC转换电路、DC-DC转换电路等基本模块被提出和研究。Ottman等[7]首次提出由二极管整流桥构成的标准能量采集电路(SEH);Taylor等[8]提出了串联同步开关电感电路(S-SSHI);Aktakka等[9]提出了一种并联型的非线性电路，即并联同步开关感应(P-SSHI)电路;孙皓文等[10]对以上几种接口电路进行了优化，提出双同步开关能量采集接口电路(DSSH);为实现电路的完全能量采集功能，研究人员提出了自供电同步开关电感电路(SP-SSHI)[11]，虽然基于二极管的接口电路设计结构简单、可靠性好，但阈值电压损失较大，为实现压电振动能量采集系统能量的采集存储，提高采集效率，本文提出了一种低功耗自供电压电能量管理电路，并通过理论分析和建模仿真验证该电路的有效性和优越性。
1理论模型
图1为压电发电装置的实际安装图。图中，S为应变，V为电压，M为质量块质量，z为垂直位移。选用双晶片悬臂梁结构，两层陶瓷片间存在金属垫片，质量块放在自由端。选择悬臂梁结构的原因有两个，即：
1)功率的输出与应变密切相关，对于给定的输入，悬臂梁结构可以产生高的平均应变。
2)目标输入振动为低频。
电源管理系统的设计
2.1基于P-SSHI有源整流电路
优化的P-SSHI整流电路由有源全桥整流电路、P-SSHI电路和稳压直流源电路组成。具体工作原理为在VP的正半周期，压电发电源给内部电容Cp充电，使VP上升，VN下降。当VP>Vr时，MP1导通，比较器U2输出高电平，MN2导通，能量通过MP1、MN2转移到电容器Cr中，当VP逐渐减少到0，VP
2.1.1比较器选择
压电能量的功率在兆瓦级别，考虑到实际电路的需要，为了尽可能地减少功耗损失，本文选用LT1716型号比较器，它可以在总电源电压位于2.7～44V时运作，吸收的静态电流为35μA。输入能够承受44V的差分电压和共模电压。图4为LT1716内部结构图[12]。
2.1.2P-SSHI开关控制电路
从电路的结构来看，当输入信号在正半周期时，开关控制信号CLK1、CLK2为低电平，开关MS1、MS2为断开状态;当VP由正变为负时，控制信号CLK2变为高电平，CLK1保持低电平，因此，开关MS1闭合，MS2仍然断开，当电压处于负半周期即翻转完成时，控制信号CLK1、CLK2保持为低电平;当VP由负变为正时，控制信号CLK2保持低电平，而信号CLK1由低电平变为高电平，开关MS2闭合，MS1断开。图5为开关控制电路及CLK1、CLK2的控制信号。
2.1.3稳压直流源电路
为实现自供电，基于压电发电源设计一个稳压直流源电路为比较器供电，具体电路如图6所示。压电源先通过变压器变压，输出两路20V交流电，然后经过LM317、LM337稳压芯片输出直流电，C4、C5为滤波电容，滤除高频谐波干扰，C6、C8、C10、C11为去耦电容，防止对芯片产生电磁干扰，C7、C9用于稳定2个稳压管内部放大器的工作状态，同时改善电压调整的过渡响应。因为LT1716的工作范围比较宽，本电路选取设计±5V的稳压电压源，根据稳压直流源的正电压输出Uo1=1.25(1+R1/R4)，取R1=359Ω，R4=120Ω，则Uo1输出+5V电压供给比较器LT1716，同理稳压直流源的负电压输出Uo2输出-5V电压供给比较器LT1716。
2.2降压稳压储能电路的设计
压电采能装置的振幅和频率随周围环境的变化而变化，传感器件的供电电压通常为3～5V，为了满足不同设备对功耗的要求，本文提出了一个由LTC3388芯片和超级电容器构成的低功耗降压稳压电路。
2.2.1Buck电路的设计
压电能量采集电路具有电压大、电流小的特点，根据这些参数设计电路如图7所示。该芯片输入工作范围为2.7～20V，负载输出电流高达50mA，无负载状态下仅产生720nA的典型直流电源电流，且集成了欠压锁定(UVLO)功能，在输入电压低于2.3V时可禁用转换器，保持低静态电流状态。
2.2.2储能电路的设计
超级电容器作为一种新型的储能元件既具有传统电容器的快速充放电特性，也兼顾了电池的储能特性。与传统储能器件相比，超级电容器的功率密度高，能够在短时间内放出千百级安培的大电流;充放电速度快，循环使用寿命长，实际应用中循环使用次数一般能超过10万次以上，可减少定期维护，占用空间小，可以在微小传感器件供电中使用。
3仿真结果和分析
接口电路的性能对整个能量采集系统的功能和效率有很大影响。图9为SHE接口电路、栅源交叉接口电路、P-SSHI栅源交叉接口电路及改进型P-SSHI栅源交叉接口电路Cr的输入情况。
假定输入源幅值为20V且输出稳定，60s内，SHE电路、栅源交叉接口电路及P-SSHI栅源交叉接口电路的电压损失分别为1.932V，1.381V，0.898V。有源二极管的优化设计减小了接口电路的电压损失，相比SEH电路提高了1.034V的电压，平均输出功率整体提高了14.5%;比栅源交叉接口电路提高了0.483V的电压，平均输出功率整体提高了5.2%;在给定条件下，本文提出的P-SSHI整流电路输出功率最高，因此，有源二极管和P-SSHI都有助于提高整流电路的输出功率。改变MOS管选型后，该接口电路的电压损失0.197V，输出电压提高了0.701V，平均输出功率整体提高了1.96%;相比SEH电路提高了1.735V的电压，平均输出功率整体提高了16.8%;MOS管的选型也对采集电路的效率有影响。
相关期刊推荐：《压电与声光》是由信息产业部电子第26研究所主办并公开发行的专业性科技刊物。主要报道压电与声光技术等领域的科研成果、发明创造、科技述评，国外在压电、铁电、声电、声光、电光等方面的各种功能器件和陶瓷、单晶、薄膜材料等新技术、新产品、新动向等。
图10为LTC3388芯片具有4种可选输出电压，输出功率随着输出电压的增加而增加，具体的储能情况如表1所示。在5V的最高输出电压下，30s内储存能量可以达到4.1371J。
4结束语
本文设计了一个用于压电能量采集的低功耗自启动压电电源管理系统，采用有源二极管代替传统二极管，减小了压损，提高了功率转换效率，采用P-SSHI电路可以精确地检测电压的过零点，改善了整流电路的功率提取能力;与SEH电路相比，该电路可以提高16.8%的能量采集功率。具有欠压自锁功能的LTC3388芯片，可以自动调节输出，获得4种稳定的输出电压。该P-SSHI整流器可以自供电而无需任何额外的电源。——论文作者：刘婷1，2，赵程1，曾涛1，王元元2
