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(中国计量大学机电工程学院，浙江 杭州310018)

随着物联网的高速发展，低功耗无线传感网络节点成为连接物理世界与互联网之间的关键技术[1]。如何高效的为这些数量庞大的无线传感节点实现长寿命的自我供电已成为目前研究的热点。由于振动能量广泛存在，所以国内外研究人员对环境振动能量采集开展了大量的研究。环境振动能量采集方法一般有3种:电磁式、静电式和压电式，其中压电式振动能量因其具有能量密度高、结构简单、不受电磁干扰、易于集成化等优点而备受青睐[2－3]。

压电式振动能量俘获是利用压电材料的正压电效应，将振动能转换为电能的一种过程。由于压电元件输出的是交流电，因此，在压电元件与负载之间需要具有整流功能的接口电路。最简单的接口电路是标准的能量收集电路SEH(Standard Energy Harvesting)，该电路由整流桥和存储电容组成。但这种电路采集效率低，且采集功率受存储电容电压和负载大小的影响。

为提高能量采集效率，研究者们提出了多种非线性能量采集电路。如Lefeuvre等人[4－6]提出了同步开关电路SSHI(Synchronized Switch Harvesting on Inductor)和同步电荷提取电路SECE(Synchronous Electric Charge Extraction)。而后，许多研究学者对这些策略进行了改进。如Du等人[7]提出了一种新的冷启动SSHI接口电路，该电路动态地增加了压电传感器在冷状态下产生的开路电压，可实现低激励水平下SSHI电路的启动。Li等人[8]提出一种具有并联SSHI整流器和最大功率点跟踪(MPPT)的压电能量采集系统，与理想的SEH电路相比，其能量提取总量增加了417%。Wu等人[9]提出了一种压电能量采集电路，该电路集成了同步开关电感采集电路和有源整流器，可确保电容器电压在最佳时刻翻转，无需调整开关时间。Fang等人[10]基于串联同步开关电感采集技术(Series-SSHI)和最大功率点跟踪(MPPT)技术，提出了一种有效的压电能量收集电路。该电路通过连续的能量采集过程来提高采集效率，但这种效率的提高需要电路在最优匹配负载时的最大功率点处才可实现。与SSHI电路相比，SECE采集电路具有输出功率与负载无关的特性优势，由此引起了广大学者的兴趣。如Shi等人[11]提出了一种高效的自供电同步电荷提取COMS电路，专用于压电能量采集。Morel等人[12]提出了一种优化的SECE接口电路，与理想SEH电路相比，该接口电路所采集的能量提高了4.2倍。基于SECE技术，Xia等人[13]提出了同步电荷部分提取(SECPE)技术，解决了压电设备在强耦合状态下性能降低的问题。此外，近年来还有一些非线性能量采集电路被提出。如Shi等人[14]提出一种拟最大功率点的能量管理电路，该电路通过将其自身保持在最大功率点附近区域以提高能量采集效率。Du等人[15]提出一种用于压电能量采集的集成SSHC整流器，将压电元件分为多个区域，该结构可实现低频激励下的显著升压。

但是实际应用中，由于单个压电能量采集往往是不足以供给无线传感网络节点工作的，因此，很多场合采用多个压电元件来采集能量。众多学者对多输入能量采集技术进行了研究。Wang等人[16]提出了一种基于Buck结构的多输入SECE接口电路。Shareef等人[17]提出了一种无整流器的AC－DC转换电路，该电路具有多个输入端口。Meng等人[18]提出一种能量管理芯片，该芯片可从多个压电元件中采集能量。以上接口电路的提出一定程度上解决了多输入能量采集的问题，但多是通过电感的分时复用技术实现，而且在压电采集时存在一定的采集延时导致采集效率降低。针对这些情况，本文提出了一种无相位滞后的高效多输入同步电荷提取电路(MI-SECE)，该电路可同时从多个压电换能器中采集能量，且不会出现因相位滞后造成延时采集的问题。

1 压电元件的等效模型及接口电路分析

1.1 压电等效电路模型

压电元件受到外力作用时会发生形变，引起压电元件内部电荷中心发生相对位移而产生电流。压电片的机电耦合等效模型如图1(a)所示[19]。其中，LM代表机械质量，CM代表机械刚度，RM代表机械损失。在近谐振情况下，压电元件可以建模为一个简单的非耦合等效模型，如图1(b)所示，一个由正弦电流源IP、电容CP和电阻RP组成的电路，其中CP代表压电材料的受夹电容。

图1 压电元件(PZT)等效电路和简化电路模型

1.2 同步电荷提取(SECE)电路

SECE电路如图2所示，它是由全桥整流器和Buck-Boost电路组成。初始状态下，开关S断开，电流源IP给受夹电容CP充电，电容两端电压VP上升。当电容电压达到峰值时(此时电流IP过零)，闭合开关S，此时电感L与受夹电容CP形成LCP振荡回路，储存在电容CP上的能量短时间内转移到电感L上，电容CP两端电压VP迅速降为零。能量完成转移后，开关S再次断开，此时压电元件(PZT)开路，电感L上的能量通过续流二极管转移到存储电容Cr上。

图2 理想SECE电路

工作过程中，电流IP与电容CP两端电压VP方向总是保持同正或同负。若外界激励不变，即电流IP幅值、频率不变，那么每次开关S闭合时，从压电换能器提取的能量就不变。总提取能量不变形成了SECE电路输出功率与负载大小无关的特性。

2 电路设计与原理分析

2.1 单输入同步电荷提取电路

本文提出的无相位滞后的SECE电路如图3所示，主要包括全桥整流电路、峰值检测电路、电压过零检测电路、D触发器、传输控制电路和Buck-Boost电路。初始阶段，电流源IP给受夹电容CP充电，当电容CP峰值电压VPmax来临时，峰值检测电路输出高电平，D触发器工作输出高电平，M12导通，M10、M11断开，储存在CP上的能量通过电感L1、传输控制电路、M12转移到电感L2上，如回路i2所示。电感L1的存在保证电容CP存储能量的完全提取，M10可防止电流通过M11漏、极间的寄生二极管造成泄露。当能量提取完成，VP下降为零，电压过零检测电路输出低电平，此时D触发器重置为零，M12断开，M10、M11导通，PZT处于开路状态。储存在电感L2上的能量通过续流二极管D3、MOS管M10、M11转移到电容Cr上，如回路i3所示。理想工作状态下的波形如图4所示，其中Q表示D触发器输出波形，P表示峰值检测电路输出波形，Z表示电压过零检测电路输出波形。

图3 提出的单输入无相位滞后的SECE电路

图4 理想状态下电路工作波形

由SECE电路工作过程分析与图4可知，除了短暂的能量提取时间外，压电元件大部分时间处于断开状态。能量提取时，电流源恰好处于电流过零状态，没有向外输出电流。即能量提取周期内，电流源IP始终仅向电容CP·充电，从而可得到

式中:α表示压电元件的压电应力因子，u表示压电元件的位移，uM表示压电元件位移最大值。

可得到SECE电路的平均功率为:

式中:ω表示等效电流源角频率。

2.2 多输入同步电荷提取电路(MI-SECE)

由SECE电路工作过程可知，每个PZT能量提取周期内，电感占用时间很短，仅有1/4个LCP谐振周期。不同时间段内，多个PZT能量的提取可以通过共享电感实现。然而，在某些情景中，如多个PZT输出电压同时达到峰值，需要同时提取，或输出电压仅存在极小的相位差时，分时复用共享电感的方法不起作用。

当多个PZT存在极小相位差时，可能存在相位超前或滞后的情况。将多个PZT提取电路进行简单的并联，本质上形成了多PZT并联再与电感串联的电路连接方式。传统的提取方式是先到先得，该方式的实现需要在PZT输出的高低电压之间设置控制电路，这就增加了电路的复杂度且难以实现。

理想的提取方式是电感能够自适应的从多PZT中连续提取能量。假设当两个PZT输出电压同时达到峰值时，输出电压高的PZT先进行能量转移，待输出电压降到低PZT的电压时，两个PZT中的能量同时转移到电感中。基于此，本文提出了无延时高效采集的多输入同步电荷提取电路(MI-SECE)，如图5所示。文中仅以两个PZT的能量采集进行说明。D触发器的输出控制信号分别通过与门、或门进行并联。若出现多路采集时，采用多输入的与门和或门进行控制。

图5 无延时高效采集的MI-SECE

3 电路仿真分析

对所提出的无相位滞后的SECE电路通过LT spice软件进行仿真分析。仿真过程中，通过参数设置，PZT两端输出电压VP为14 V，如图6所示。图6 为PZT两端电压和D触发器输出控制信号波形及电感电流波形。由于PZT大部分时间处于开路状态，故电感上大部分时间是没有电流的。当电压VP达到峰值时，D触发器输出一个触发信号，传输控制电路导通，电感产生一个电流脉冲。从局部放大图可以看出，当PZT上的能量转移完成，传输控制电路关闭，电感L2上的能量通过续流二极管向电容Cr转移。从仿真波形不难看出，从电容电压VP达到峰值，到触发信号输出，再到电感产生电流脉冲，几乎是瞬时完成，没有延时产生。

为研究所提出接口电路在能量俘获效率方面的性能，将接口电路在不同负载下的输出功率进行了仿真测试，并与同等条件下的SEH电路进行了比较，结果如图7所示。从图7可以看出，在负载电阻较小时，SEH电路与所提出接口电路输出功率均较低。这是由于在低负载时，输出电压也偏低，各二极管导通压降和MOS管阈值所占比重较大，从而对电路输出功率影响较大。当负载电阻大于51 kΩ后，所提出电路的输出功率稳定在2.94 mW左右，对比而言，SEH电路输出功率呈现出先上升后下降的趋势，即SEH电路输出功率受负载影响较大。所提出MI-SECE电路的最大输出功率是SEH电路的4倍，且基本不受负载影响，这也表明MI-SECE电路在振动能量俘获方面具有一定的高效性。

图7 所提出电路与SEH电路的比较

为研究多PZT工作条件下，所设计电路的采集效果，利用LT spice仿真了存在相位差下的电路工作效果。当PZT1、PZT2完全同相位时，如图8(a)所示，电容CP1、CP2电压同时达到峰值，并一起进行能量的释放转移，直至能量降为零。当PZT1、PZT2存在相位差(PZT2相位超前PZT1)，如图8(b)所示，CP2能量转移过程尚未结束，CP1电压到达峰值时。此时CP2能量转移过程中止，CP1能量开始向电感转移，当CP1、CP2电压相等时，CP2能量再次开始转移。从仿真结果可知，CP1、CP2上的能量均能转移到电感上，且没有能量回流损失。

图8 电感L2电流的仿真波形

4 实验结果与分析

为验证所提出电路的性能，我们制作了电路板，并搭建了实验平台进行了测试，如图9所示。其中，电路相关元器件型号及参数如表1所示。

图9 能量俘获实验平台

表1 元器件型号及参数

实验平台主要由信号发生器(RIGOL DG3121A)，功率放大器(GF－20W)，激振器，示波器(RIGOL DS1104)，两个PZT(型号参数一致)和电路板组成。PZT作为悬臂梁，其一端固定在振动台，另一端为自由端。在PZT的自由端钻两个小孔，加装螺钉螺帽作为质量块，通过增减螺帽的数量调节换能器的固有频率。信号发生器产生的正弦信号，经功率放大器增强后，传输到激振器中，使其产生正弦振动并驱动PZT变形从而将机械能转换成电能。PZT的正负极分别通过导线引出与电路的输入端相连，即PZT输出电能作为电路的输入能量，通过电路将该能量提取到电容中，即电容存储的能量即为电路输出能量。通过示波器监测能量提取过程中的电压波形。

调节信号发生器输出频率，当振动频率为16 Hz时，PZT输出电压为14 V，与仿真模拟输入一致。此时，换能器进入近似谐振状态，PZT的形变量达到最大，即开路电压最大。此时，PZT两端电压输出波形与仿真波形基本吻合，如图10所示。PZT将机械振动能转换为电能，通过能量提取电路将电能储存到电容中，单个周期内，电容储存的能量与压电元件输出能量之比，即为电路提取功率。该参数是判断电路性能优劣的重要指标。分别同时测量一个周期内PZT两端输出电压和存储电容电压。

图10 换能器工作状态下实测波形

根据公式

可求得电路提取效率为90.01%，其中，Vr1、Vr0分别表示一个周期内储存电容Cr终止时刻、初始时刻的电压，ΔE表示PZT输出能量。由于每个周期当PZT电压从0上升到最大时，电路提取一次，即电容充电一次，故VP1、VP0分别表示PZT峰值电压和初始电压0。

本文所设计接口电路旨在将压电元件形变产生的电能提取到存储电容中。主要考虑压电元件输出电能到储能端的提取及接口电路的损耗。由于振动台的作用是模拟环境中的振动使压电元件产生形变，仅作为一个激励，故对于其产生损耗本文不做考虑。接口电路的能量损耗主要是二极管和MOS管的导通阈值及各元器件内阻的存在产生的。

为研究负载对电路输出功率的影响，本文换用不同的负载分别对电路输出功率进行了测试。图11为所测得的电路输出功率随负载变化的曲线，并与仿真结果进行了对比。由图可见，在低负载区域电路输出功率较低，随着负载的增大，输出功率逐渐升高，当负载电阻大于51 kΩ时，输出功率基本保持不变。这是由于在低负载时，电路输出电压较低，由二极管导通压降和各元器件内阻消耗的能量较大。当负载增大后，电路输出电压升高，消耗在二极管及各元器件内阻上的能量相对降低。

图11 电路输出功率随负载变化曲线

从整体上看，电路实验测得的输出功率低于仿真所得输出功率，但波形变化趋势与仿真结果保持一致。实验结果与仿真结果存在差异的主要原因在于仿真时采用了理想元器件，忽略了元器件所含内阻的消耗，如电感器件除存储能量外自身会消耗一部分能量。通过实验结果与仿真结果的对比可知，两者的结果基本吻合，体现了所提出电路的有效性。

为了研究两个PZT相位差较小时电路的工作情况，使用两个型号参数完全一致的PZT，并微调PZT自由端的质量块(螺钉)，用示波器观察电路输出波形。实测电感L2电流波形如图12所示，与仿真波形吻合。由此可知，本文所提出的无延时高效采集的SECE电路可扩展为多输入SECE电路(MI-SECE)，并且可同时完成多压电换能器的能量采集工作。

图12 电感L2电流波形

将所提出电路与相关文献PEH电路的性能进行比较，详细情况如表2所示。本文所提出的电路通过峰值检测电路的设计，使能量提取效率高达90.01%；而文献[9]中，Wu等人通过集成SSHI电路和简化控制器，降低电路的功耗，实现了85%的提取效率，与本文所提出电路相比，依旧较低；文献[14]中，Shi等人基于拟最大功率点所提出的功率管理电路及其间歇式工作模式，提高了振动能量的收集效率，但同时复杂化的电路增加了能量消耗；文献[17]中，Shareef等人所提出的用于多PEH采集的无整流AC－DC接口电路，尽管其低功耗控制电路节约了能量，但提取效率仅为79%，由于电感的分时复用，无法实现多个振动能量的同时采集。因此，本文所提出MI-SECE电路不仅保持了较高的能量俘获效率，且实现了多个PZT能量的同时采集，具有较好的能量利用性。

表2 相关文献PE能量收集电路的比较

5 结论

本文提出一种无相位滞后高效采集的SECE电路，由整流桥、峰值检测电路、电压过零检测电路、传输控制电路和Buck-Boost电路组成。峰值检测电路输出与电压过零检测电路输出分别作为D触发器的时钟信号和输入信号，触发器输出PWM波作为传输电路的控制信号。当PZT输出电压峰值来临时，峰值检测电路准确捕捉PZT电压达到峰值的时间，输出高电平，传输控制电路导通，PZT采集能量转移到电感中。随PZT能量下降，电压过零检测电路准确捕捉到电压降为零的时间，输出低电平，传输控制电路断开，电感储存能量通过续流二极管转移到存储电容中。所设计电路通过准确捕捉PZT电压到达峰值的时间，减小其与开关动作时的相位差，从而提高能量提取效率，能量提取效率为90.01%。同时，通过门电路的连接，该电路可扩展为多输入的SECE电路，实现多PZT的同时采集。实验结果验证了扩展后的MI-SECE电路的有效性。与其他电路相比，具有较为明显的优势和特色。