用于压电能量收集的冷启动SSHC整流器.docx资源-CSDN文库

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1. 引言

为了解决传统电池重量，尺寸和寿命的弊端，能量收集技术进入了人们的视野，从自

然环境中收集能量，包括太阳能、热能、振动能等，并将其转化为可用电能.在这些能源

中，压电能量收集由于其传感器材料的高功率密度和可扩展性而得到了广泛的研究，理想

的同步开关电感收集(synchronous switch harvesting on inductor, SSHI)可以实现无电荷损耗，

在同步控制开关的作用下实现电荷的转移，可实现高效率的电容电压翻转

[1~7]

.然而，基于电

感的高效率整流接口电路往往需要较大的电感值，大的电感具有较大的面积，不利于整个

压电采集系统的小型化.

文章在 SSHI 的基础上提出了同步开关电容收集(synchronous switch harvesting on

capacitors, SSHC)整流器.与单个电感的电荷转移不同，该系统可以用一个或多个电容来实

现电压翻转.整个系统不涉及电感，从而大大减小了设计面积.在压电能量采集中，当振动源

微弱振动时，系统处于冷态，传统的整流电路将无法启动.本文提出的采用开关电容

(switched capacitors, SCs)和有源二极管搭建的冷启动 SSHC 整流电路能提高系统冷态下的

开路电压，使电路能够正常启动，同时加速电容间的电荷转移.

2. 理论分析

压电传感器的等效电路可以用交流电流源 i

P

和电容 C

P

并联代替.全桥整流器(full-bridge

rectifier, FBR)电路以及对应的 i

P

和 V

PN

波形如图 1(a)所示，由于电容 C

P

充放电缓慢，因此

较大阴影部分面积代表未收集到的能量较多.SSHC 接口整流器电路以及该电路 i

P

和 V

PN

波

形如图 1(b)所示，由于电容之间的电荷转移加快了 C

P

的充放电速度，因此阴影区域明显减

小，能量转换效率得到了极大的提高.

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