自供電的壓電振動(dòng)能與溫差熱電能融合采集電路設(shè)計(jì)*

王修登,夏銀水*,施 閣,2,夏樺康,陳志棟,葉益迭,錢(qián)利波

(1.寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 寧波 315211;2.中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,杭州 310018)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)WSNs(Wireless Sensor Networks)節(jié)點(diǎn)作為物聯(lián)網(wǎng)IoT(Internet of Things)的基本組成單元,已廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、消費(fèi)類(lèi)電子、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。但是對(duì)節(jié)點(diǎn)的傳統(tǒng)電池供電方法已經(jīng)成為WSNs發(fā)展的一個(gè)重要阻礙。第3代合作伙伴計(jì)劃3GPP(3rd Generation Partnership Project)組織新制定的IoT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,WSNs節(jié)點(diǎn)在正常工作下的電池供電壽命要長(zhǎng)達(dá)十年以上[1]。因此,收集環(huán)境能量被認(rèn)為是解決這一挑戰(zhàn)的有效方法之一[2]。

振動(dòng)是環(huán)境中廣泛存在、能量密度較高的一種能量形式,如大自然中水和空氣的流動(dòng),工業(yè)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)、交通工具運(yùn)行和人體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)等都具有振動(dòng)能。振動(dòng)能的俘獲形式主要有:電磁式、靜電式和壓電式,其中由于壓電式俘獲裝置因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)電磁干擾,輸出電壓高等優(yōu)勢(shì)而被廣泛采用。

壓電式振動(dòng)能的俘獲是利用壓電材料的正壓電效應(yīng),將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,但是壓電材料輸出的是交流電,不能直接給電子設(shè)備供電,因此,在壓電換能器PZT(Piezoelectric Transducer)和負(fù)載之間需要一個(gè)具有整流、電壓調(diào)節(jié)、阻抗匹配等功能的接口電路[3]。圖1所示是標(biāo)準(zhǔn)能量俘獲電路SEH(Standard Energy Harvesting),由4個(gè)二極管組成的全橋整流電路和一個(gè)儲(chǔ)能電容構(gòu)成的。雖然SEH電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低,但是整流二極管存在閾值電壓損失,而且其俘獲效率容易受負(fù)載的影響,研究表明只有在輸出電壓是PZT開(kāi)路電壓一半的情況下才是最優(yōu)的[4]。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)能量俘獲電路SEH

為了提高壓電能的俘獲效率,Lefeuvre 等人先后提出了并聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感P-SSHI(Parallel Synchronized Switch Harvesting on Inductor)電路、同步電荷提取SECE(Synchronous Electric Charge Extraction)電路和串聯(lián)同步開(kāi)關(guān)電感S-SSHI(Series Synchronized Switch Harvesting on Inductor)電路[5-7]。這些電路可以有效提高俘獲效率,但均需要額外的電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)。為此,Qiu J等人提出了一種無(wú)源觸發(fā)電路,分別將其應(yīng)用于SECE電路和P-SSHI電路,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示最大輸出功率比SEH電路分別提高2.6倍和7倍[8];Junrui Liang等人提出了一種自供電的同步開(kāi)關(guān)電感SP-SSHI(Self-Powered Synchronized Switch Harvesting on Inductor)電路,較之于SEH電路,最大輸出功率可提高200%[9];Shi Ge等人提出了一種高效的自供電同步電荷提取SP-ESECE(Self-Powered Efficient Synchronous Electric Charge Extraction)電路,該電路省略了傳統(tǒng)SECE電路中的整流橋結(jié)構(gòu),并且回收了峰值檢測(cè)電容中的儲(chǔ)能,實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示SP-ESECE電路的最大俘獲效率達(dá)到了SEH電路的三倍[10]。

熱能俘獲有多種形式,其中對(duì)溫差熱電能俘獲的研究尤其受到研究者們關(guān)注。熱電換能器TEG(Thermoelectric Generator)是一種基于塞貝克效應(yīng)、利用不同材料的兩端在不同溫度下能直接將溫差轉(zhuǎn)化成電能的溫差發(fā)電裝置,較之于其他俘能方式有3個(gè)優(yōu)點(diǎn):使用過(guò)程中不需要人為干預(yù);沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件,可靠性高,工作噪音低;對(duì)周?chē)h(huán)境沒(méi)有影響[11]。溫差熱電能俘獲的最大挑戰(zhàn)就是TEG產(chǎn)生的電壓通常比較低。文獻(xiàn)[12]指出在5 ℃溫差的環(huán)境中熱電偶輸出電壓可達(dá)到236 mV～265 mV,但這仍低于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的閾值電壓,電路無(wú)法正常工作[13]。為了克服這個(gè)缺點(diǎn),研究人員提出了給輸出電容預(yù)充電、增加機(jī)械輔助開(kāi)關(guān)、采用外部時(shí)鐘或者變壓器的啟動(dòng)電路等方法[14]。但是這些方法都無(wú)法從根本上實(shí)現(xiàn)能量俘獲系統(tǒng)的自啟動(dòng)、自供電。盡管Yi-Chun Shih等人提出了一種不使用外部激勵(lì)和電感的三級(jí)電荷泵結(jié)構(gòu)的升壓電路,但是其俘獲效率最高只有58%,而且最低的啟動(dòng)電壓需要達(dá)到270 mV[15]。

近年來(lái),人們?cè)噲D通過(guò)俘獲多種環(huán)境能量來(lái)為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電,例如,Young-Sub Yuk等人提出了俘獲振動(dòng)能和熱能的電路結(jié)構(gòu)[16];Carlos H P Lorenz等人則研究了對(duì)微波和振動(dòng)能進(jìn)行俘獲,發(fā)現(xiàn)在相同激勵(lì)條件下,俘獲的總功率明顯高于單一能源的俘獲[17]。Hsieh Y T等人提出了一種混合式能量俘獲電路,先將振動(dòng)能和太陽(yáng)能共同存儲(chǔ)在一個(gè)儲(chǔ)能電容上,然后經(jīng)過(guò)一個(gè)電感升壓電路再為負(fù)載供電,但是這種結(jié)構(gòu)直接讓兩種不同形式的能量為同一電容充電,會(huì)導(dǎo)致不同能量之間相互影響,致使電流驅(qū)動(dòng)能力下降[18]。Kye-Seok Yoon等人提出了一種可同時(shí)從PZT和TEG俘獲能量的接口電路,但是該電路采用了有源控制電路模塊,需要外部供電電源才能啟動(dòng)[19]。

雖然現(xiàn)有的混合能源俘獲電路相比于單一能源俘獲電路可以俘獲更多的能量,但是這些電路結(jié)構(gòu)要么采用時(shí)分復(fù)用的方法,通過(guò)比較兩個(gè)環(huán)境能源的能量密度,選擇能量密度高的一種進(jìn)行俘獲,無(wú)法實(shí)現(xiàn)同時(shí)俘獲兩種形式的能源;要么需要外部供電電源才能正常工作。

為此,本文提出了一種自供電的混合式同步電荷提取HSP-SECE(Hybrid Self-Powered Synchronous Electric Charge Extraction)電路。所提出的HSP-SECE電路首先將TEG產(chǎn)生的電荷進(jìn)行儲(chǔ)存,通過(guò)壓電電壓峰值檢測(cè),達(dá)到峰值時(shí)進(jìn)行壓電振動(dòng)能和溫差熱電能的同步提取,并且該電路具有自供電、自啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 電路工作原理

1.1 壓電等效電路模型

PZT在受到外力擠壓的情況下會(huì)發(fā)生形變,引起壓電元件內(nèi)部的電子流動(dòng)而產(chǎn)生電流。PZT的機(jī)電耦合等效模型如圖2(a)所示。機(jī)械域中,Lm表示機(jī)械質(zhì)量,Cm表示機(jī)械強(qiáng)度,Rm表示機(jī)械阻尼;電氣域中,Cp表示PZT的寄生電容。機(jī)械域和電氣域之間是一個(gè)耦合系數(shù)為n的變壓器。在近諧振情況下,PZT可以等效為一個(gè)非耦合的電路模型,如圖2(b)所示,其中Ip為正弦電流源,與寄生電容Cp和電阻Rp并聯(lián)構(gòu)成電路模型[20-21]。

圖2 壓電等效模型

1.2 熱電等效電路模型

將P型和N型兩種不同類(lèi)型的熱電材料一端相連形成熱電偶鏈,將熱電片的兩端分別置于高溫和低溫環(huán)境,由于熱激發(fā)的驅(qū)動(dòng),P(N)型材料高溫端空穴(電子)濃度高于低溫端,致使空穴(電子)向低溫端擴(kuò)散,電荷積累在低溫端,從而在熱電片的冷端形成電勢(shì)差[22]。如圖3所示,根據(jù)TEG的輸出特性,可以將其等效為一個(gè)直流電壓源和一個(gè)電阻串聯(lián)的電路,且開(kāi)路電壓與溫差成正比。

圖3 熱電偶及熱電等效電路

1.3 同步電荷提取電路SECE

理想的SECE電路是在SEH電路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)電感、一個(gè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)續(xù)流二極管。SECE的主要工作原理是根據(jù)電感的儲(chǔ)能特性,將積累在寄生電容Cp上的電荷轉(zhuǎn)移到負(fù)載端。一個(gè)周期內(nèi),開(kāi)關(guān)大部分時(shí)間是斷開(kāi)的,PZT處于開(kāi)路狀態(tài),等效電流源Ip向電容Cp轉(zhuǎn)移能量[23]。如圖4所示,SECE電路提取能量的過(guò)程主要分為兩個(gè)階段:電荷提取和電感續(xù)流。在電荷提取階段,當(dāng)PZT兩端的開(kāi)路電壓達(dá)到峰值時(shí),閉合開(kāi)關(guān)S,寄生電容Cp和電感L發(fā)生LC諧振,經(jīng)過(guò)1/4個(gè)LC諧振周期,電容Cp上積累的電荷被轉(zhuǎn)移到電感L上;然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S,電路進(jìn)入電感續(xù)流階段,電感、續(xù)流二極管和負(fù)載構(gòu)成一個(gè)回路,將電感上存儲(chǔ)的能量進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到負(fù)載端。

圖4 SECE接口電路

圖5所示為在理想情況下,電容Cp的電流和PZT開(kāi)路電壓的波形圖以及開(kāi)關(guān)S的關(guān)斷信號(hào),可以注意到,在PZT開(kāi)路電壓達(dá)到峰值時(shí),電流過(guò)零點(diǎn),此時(shí)開(kāi)關(guān)閉合,電壓迅速下降,并且產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖,這個(gè)電流脈沖就是電荷提取的過(guò)程。

圖5 Cp的電壓和電流波形以及SECE的開(kāi)關(guān)信號(hào)

SECE電路輸出功率是恒定的,原因在于其開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間等于LCp回路諧振的1/4個(gè)周期,并在這段時(shí)間內(nèi)完成全部的電能-磁能的轉(zhuǎn)換,而且與負(fù)載大小無(wú)關(guān),LCp回路諧振周期可以表示為:

(1)

壓電元件兩端峰值電壓可以表示為:

(2)

式中:α表示壓電應(yīng)力因子,uM表示PZT在機(jī)械上的最大位移。

理論上SECE電路的輸出功率可以表示為:

(3)

而SEH電路的輸出功率可表示為:

(4)

對(duì)比式(3)和式(4)不難發(fā)現(xiàn),理想上SECE電路的俘獲效率是SEH電路的四倍[24]。

2 電路設(shè)計(jì)

本文所提出的自供電的混合式同步電荷提取(HSP-SECE)電路如圖6所示,主要由TEG、PZT、正/負(fù)半周期峰值檢測(cè)電路、零電位切換電路、Cr、Ct、二極管D1和電感L構(gòu)成。

圖6 混合式同步電荷提取電路

圖7 HSP-SECE電路正半周期的4個(gè)工作階段

正半周期峰值檢測(cè)電路由電容C1,二極管D4、D5,PNP晶體管Q1,NMOS管N1、N2構(gòu)成;負(fù)半周期峰值檢測(cè)電路由電容C2,二極管D6、D7,PNP晶體管Q2,NMOS管N3、N4構(gòu)成;零電位切換電路由二極管D2和D3構(gòu)成,其功能是使PZT兩端電壓較高的一端接地。

在PZT輸出電壓信號(hào)的正半周期,即Vp端電壓高于Vn端,電路主要分為4個(gè)工作階段。

第1階段:自然充電階段

如圖7(a)所示,PZT的開(kāi)路電壓隨著PZT位移的增加而逐漸增大,寄生電容Cp和峰值檢測(cè)電路中的電容C1一直處于充電狀態(tài),同時(shí)TEG也一直給電容Ct充電。當(dāng)PZT的開(kāi)路電壓達(dá)到最大值時(shí),等效電流源Ip的電流過(guò)零點(diǎn),此時(shí)電容Cp和C1上的電壓也均達(dá)到最大值,然后電路進(jìn)入下一工作階段。

第2階段:電流反向階段

如圖7(b)所示,隨著PZT開(kāi)始反向移動(dòng),等效電流源Ip開(kāi)始反向給Cp充電,所以Cp上的電壓開(kāi)始減小,由于二極管D4的單向?qū)ㄐ院腿龢O管Q1的閾值電壓,因而C1上的電荷無(wú)法釋放,電壓保持不變。當(dāng)晶體管Q1發(fā)射極和基極之間的壓差達(dá)到晶體管的閾值電壓時(shí),MOS管N1導(dǎo)通,電路進(jìn)入第3個(gè)工作階段。

第3階段:電荷提取階段

如圖7(c)所示,由于MOS管N1導(dǎo)通,則電感L、電容Ct和Cp構(gòu)成了一個(gè)LC諧振回路,經(jīng)過(guò)1/4個(gè)LC振蕩周期,電容上積累的能量全部轉(zhuǎn)移到電感上,完成了電能向磁能的轉(zhuǎn)換。與此同時(shí),電容C1上積累的電荷逐漸通過(guò)晶體管Q1釋放掉,因此MOS管N1的柵極電壓開(kāi)始降低,直到其關(guān)斷,電感上的電流達(dá)到最大值,然后電路進(jìn)入第4個(gè)工作狀態(tài)。

第4階段:電感續(xù)流階段

如圖7(d)所示,電感L通過(guò)續(xù)流二極管D1將能量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能電容Cr和負(fù)載電阻RL,完成了磁能向電能的轉(zhuǎn)換,同時(shí)等效電流源開(kāi)始反向給Cp充電,完成正半周期的能量同步提取。

在負(fù)半周期,壓電元件兩端的電壓被負(fù)半周期峰值檢測(cè)電路檢測(cè),并以類(lèi)似的工作方式完成能量俘獲。

值得注意的是,傳統(tǒng)的SECE電路在電荷提取階段只是通過(guò)電感L和寄生電容Cp形成一個(gè)LC諧振回路,將Cp上積累的能量轉(zhuǎn)移到電感上,而HSP-SECE電路的LC諧振回路還包括溫差熱電能的儲(chǔ)能電容Ct,通過(guò)LC諧振將壓電能和溫差熱電能同時(shí)轉(zhuǎn)移到電感上,達(dá)到了兩種能源同時(shí)俘獲的效果。

3 仿真及分析

對(duì)所提出的HSP-SECE電路通過(guò)LTspice進(jìn)行仿真,所采用元器件參數(shù)如表1所示。

表1 元器件參數(shù)

圖8 壓電元件兩端壓差以及電感電流波形

圖8所示為PZT的開(kāi)路電壓以及流過(guò)電感的電流。可以看到,電感電流只是周期性的瞬間出現(xiàn),并且與其對(duì)應(yīng)時(shí)刻的PZT開(kāi)路電壓瞬間下降為零。當(dāng)PZT開(kāi)路電壓達(dá)到峰值時(shí),通過(guò)峰值檢測(cè)電路來(lái)閉合開(kāi)關(guān)管,使電感、電容形成諧振回路,將電容上積累的電荷轉(zhuǎn)移到電感上,然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān),通過(guò)續(xù)流二極管將電感上的能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載端。此外,不難發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)刻和PZT開(kāi)路電壓峰值處存在著一定的延遲,根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的分析可知,這是由于峰值檢測(cè)電路中的二極管和三極管存在導(dǎo)通壓降,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)刻和電壓峰值之間存在一個(gè)相位延遲。

為了便于分析電路原理,我們將開(kāi)關(guān)導(dǎo)通瞬間的相關(guān)電流波形放大觀察。如圖9所示,分別是電感電流、PZT寄生電容Cp上的電流和續(xù)流二極管D1上的電流,測(cè)試中發(fā)現(xiàn)電容Ct上的電流波形和電感電流重合,為了便于觀察,圖中未予顯示。其中電感電流上升階段是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的階段,即電荷提取階段,可以看到Cp上的電流接近電感電流,但在頂部附近小于電感電流。這一方面是因?yàn)榉逯禉z測(cè)電路中的電容上積累的電荷通過(guò)PNP管釋放到電感上,另一方面是因?yàn)門(mén)EG為電容Ct充電,Ct上積累的電荷也在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的瞬間轉(zhuǎn)移到電感上。電感電流達(dá)到最大值后,峰值檢測(cè)電路中電容積累的電荷釋放完畢,開(kāi)關(guān)管斷開(kāi),然后進(jìn)入電感續(xù)流過(guò)程,如圖9所示,續(xù)流二極管的電流迅速上升至和電感電流一樣大。

圖9 電容Cp、二極管D1和電感L的電流波形

圖10 幾種接口電路輸出功率隨負(fù)載變化曲線

為了進(jìn)一步驗(yàn)證HSP-SECE電路的效率和性能,我們進(jìn)行了分組比較仿真。圖10是在同等壓電激勵(lì)、不同負(fù)載條件下,SEH電路、SP-SSHI電路[9]以及HSP-SECE電路在有、無(wú)溫差熱電能時(shí)的輸出功率?？梢园l(fā)現(xiàn),在500 kΩ的負(fù)載區(qū)域內(nèi),HSP-SECE電路的輸出功率受負(fù)載影響最小,并且在負(fù)載大于100 kΩ時(shí),輸出功率隨著負(fù)載的增加幾乎沒(méi)有變化,可達(dá)到SEH電路最大輸出功率的2.4倍(Vt=0 mV)。雖然在負(fù)載小于5 kΩ的范圍內(nèi),所比較的幾種電路的輸出功率都較低,但是HSP-SECE電路的輸出功率明顯高于SEH和SP-SSHI電路,尤其是在負(fù)載小于 1 kΩ 的范圍內(nèi),HSP-SECE電路的輸出功率比 SP-SSHI 電路高出三倍左右,甚至達(dá)到SEH電路輸出功率的十倍以上。通過(guò)比較HSP-SECE電路在TEG開(kāi)路電壓為0 mV和500 mV條件下的輸出功率可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)負(fù)載大于50 kΩ時(shí),后者的輸出功率相比前者提高了16.4%。當(dāng)負(fù)載較小時(shí),后者的輸出功率提高的更加明顯,如當(dāng)負(fù)載為200 Ω時(shí),后者的輸出功率相比前者提高了102%,由此看出HSP-SECE電路在低負(fù)載范圍內(nèi)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了對(duì)以上理論和仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證,我們搭建了如圖11所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),其中電路的元器件型號(hào)及參數(shù)如表2所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括信號(hào)發(fā)生器、示波器、懸臂梁裝置、直流穩(wěn)壓電源、功率放大器、振動(dòng)臺(tái)、溫差發(fā)電裝置以及HSP-SECE能量俘獲電路等。信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦信號(hào),經(jīng)過(guò)功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái),通過(guò)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)的頻率和幅度可以控制振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率和幅度。當(dāng)正弦信號(hào)的頻率和懸臂梁裝置的諧振頻率一致時(shí),PZT會(huì)工作在諧振狀態(tài),此時(shí)PZT的輸出功率達(dá)到最大,因此壓電振動(dòng)能的俘獲都是基于PZT諧振狀態(tài)下完成的。

表2 元件型號(hào)及參數(shù)

懸臂梁裝置由金屬質(zhì)量塊、PZT和基座組成,PZT的一端被固定在基座上,另一端(活動(dòng)端)被固定上一個(gè)的金屬塊,基座被固定在振動(dòng)臺(tái)上,當(dāng)振動(dòng)臺(tái)發(fā)生振動(dòng)時(shí),PZT活動(dòng)端的金屬塊就會(huì)隨之?dāng)[動(dòng),PZT受到外界壓力發(fā)生形變,從而產(chǎn)生與振動(dòng)頻率一致的電信號(hào)。并且通過(guò)調(diào)節(jié)質(zhì)量塊的大小和位置可以改變懸臂梁裝置的諧振頻率。

溫差發(fā)電裝置由冷水槽、散熱片、TEG和PTC加熱片構(gòu)成,散熱片與TEG的冷端表面緊密粘貼,并置于冷水槽中,以便快速散熱。TEG的熱端表面粘貼上PTC加熱片,直流電源驅(qū)動(dòng)PTC加熱片在TEG的熱端保持高溫,并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)直流電源的輸出電壓來(lái)控制TEG熱端的溫度。

圖12為示波器所測(cè)PZT的開(kāi)路電壓波形。PZT兩端的開(kāi)路電壓達(dá)到峰值后,經(jīng)過(guò)一段延遲后迅速下降,電壓開(kāi)始反向,PZT兩端處于開(kāi)路狀態(tài),因此電壓片兩端壓差又開(kāi)始隨著位移的增加而變大,與理論分析和仿真結(jié)果相吻合。

圖12 示波器顯示PZT兩端電壓差

圖13是在PZT激勵(lì)頻率和負(fù)載大小保持不變,逐漸增加TEG兩邊溫差和PZT振動(dòng)幅度情況下,測(cè)得HSP-SECE電路的輸出功率?？梢钥吹?電路輸出的總功率和PZT的振幅以及溫差發(fā)電片的溫差均成正相關(guān)。在PZT的振幅保持不變時(shí),輸出功率隨溫差發(fā)電片開(kāi)路電壓的增加呈現(xiàn)線性遞增的趨勢(shì),在溫差發(fā)電片的兩端溫差保持不變時(shí),輸出功率隨著PZT開(kāi)路電壓的增加呈指數(shù)式增加。

圖13 輸出功率隨熱電電壓和壓電電壓變化曲線

表3給出了HSP-SECE電路與文獻(xiàn)[9,15,19]中電路的性能比較。相比于文獻(xiàn)[9],HSP-SECE僅需0.5 mH的電感就可以保證電路正常工作,由于所使用的電感值小得多因此體積也小得多,而且具有俘獲效率受負(fù)載的影響更小的優(yōu)點(diǎn);相比于文獻(xiàn)[15]中的電荷泵電路,HSP-SECE俘獲溫差熱電能的效率更高,并且可借助壓電峰值檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)電荷的同步提取,因此所需的啟動(dòng)電壓更低,甚至可以在TEG的開(kāi)路電壓低于50 mV時(shí)正常工作;雖然文獻(xiàn)[19]中的雙模式混合能源俘獲電路有更高的俘獲效率,但是該電路需要借助外部電源供電才可以正常工作,而HSP-SECE是完全自啟動(dòng)、自供電的,無(wú)需外部電源。

表3 與參考文獻(xiàn)的比較

5 結(jié)論

基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中低功耗節(jié)點(diǎn)的自供電問(wèn)題,本文提出了一種自供電的壓電振動(dòng)能與溫差熱電能融合采集的HSP-SECE電路。對(duì)所設(shè)計(jì)的HSP-SECE電路進(jìn)行了原理分析、仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果表明所提出的電路可以實(shí)現(xiàn)溫差熱電能和壓電振動(dòng)能的同步采集,與現(xiàn)有的電路相比具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)和特色。