一种基于碰撞的压电宽频能量收集装置

研究了一种基于碰撞的压电宽频能量收集装置,从理论上分析了该能量收集装置输出开路电压与悬臂梁尖端位移的关系;利用等效电路,分析了负载输出功率与负载电阻的关系,得出了最大输出功率的负载条件.搭建了一套测量系统,以实现对悬臂梁尖端位移和能量收集装置输出电压的测量,得到了能量收集装置随外界振动频率及振动幅度变化的输出特性曲线,并与单梁结构的能量收集装置结果进行了比较.实验结果表明,相比于单悬臂梁结构,基于碰撞的压电宽频能量收集装置能有效地拓宽工作频率范围,实现了宽频能量的收集.     

具有自适应电感共享策略的压电能量收集电路设计与实现

针对以电池为能量供给的传感设备必然存在因电池寿命的限制或自身电能的逐渐耗尽而造成的失效问题，提出了一种具有自适应电感共享策略的压电振动能量收集电路，通过将环境中的机械振动能量最大化地转换为电能并供给传感设备使用，可实现传感设备的无电池自获能供电，并大幅延长传感设备的使用寿命。该能量收集电路在原有并联电感的同步开关收集电路结构和buck-boost功率级拓扑的阻抗匹配变换器结构基础上，通过建立“先到先得”的自适应电感共享策略，避免了仲裁器的使用，大幅简化了电路设计，并实现了仅需单一电感的压电振动能量收集系统，提升了系统的集成度。此外，对电感共享造成的竞争给出了详细分析，并在此基础上进一步优化了整体电路，实现了最大功率点追踪算法。采用标准180 nm CMOS工艺，完成了压电能量收集电路的设计工作。仿真结果表明：bias-flip整流器在2 V和3 V开路电压激励下，输出功率分别达到了55.01μW和111.59μW,较传统全桥整流器，分别实现了6.40倍和4.48倍的输出功率提升；引入电感共享策略后，变换器的最大输出功率可达110.04μW,相比于非电感共享策略，电感共享策略下变换器峰值...     

新型射频能量收集系统设计与分析

随着无线传感器网络等电子微系统的发展,作为能量源的电池满足不了长久供电的需求.利用周围环境中的射频能量为自身提供电能已经越来越受到科研工作者的关注.针对目前常用射频能量收集系统转换效率较低的不足,提出了一种由超宽带天线、匹配网络、整流升压电路等组成的新型能量收集系统.利用HFSS软件对超宽带天线进行仿真优化,使得该天线在宽频带下具有较好的特性;通过整流升压电路在不同负载下的整流效率分析,确定了整流器转换效率较高的负载取值范围.新型射频能量收集系统的效率为13.5%,比常用的其他射频能量收集系统的效率提高了将近6%.     

双压电片换能器力电等效模型的建模与仿真

双压电片换能器是一种新型的供电装置,可广泛应用于对无线传感器网络节点进行供电。首先采用Pspice内置受控源建立常微分方程宏模型的方法,建立行为级与电路级混合的压电能量收集装置力电等效模型来解决力学模型与电路模型混合仿真的数据迭代问题,最后结合电能存储技术方法,利用Pspice仿真分析能量收集装置接纯容性负载的输出特性。仿真结果有效验证了压电能量收集装置力电等效模型的正确性和供电的可行性。     

一种带有最大能量跟踪的宽动态范围射频能量收集电路的设计

本文提出了一种带有最大能量跟踪的射频能量收集电路.该电路通过加入级数来控制环路自动检测不同级数整流器的输出功率,并比较这些输出功率来选择最佳级数,以求在不同输入功率下均能够保持较高的能量转换效率.因此,能量收集电路在保持高灵敏度的同时,可以提高最高能量转换效率,扩展高效率动态范围.基于该设计方法,一个用于特高频频段的带有级数控制回路的3～5级整流器电路在SMIC 55nm工艺下得以仿真、实现.测试结果表明:在915MHz的工作频率下,所设计的射频能量收集电路的最高能量转换效率可以达到61.4%.与此同时,在19dB的输入功率范围内,能量转换效率均能够保持在最高能量转换效率的50%以上,有效扩展了高效率动态范围.此外,该电路在加入控制环路后,仍然有较高的灵敏度,可以在-16.3dBm的输入功率下,驱动一个纯电容负载,获得2V的输出电压.     

基于压电的传感器自供电系统设计方法

针对规模化养殖场通风状态监测的需求,设计风致振动压电俘能系统解决监测传感器自供电问题.自供电系统由压电俘能结构和能量管理电路组成,可将风能转换为电能.分析和测试结果表明压电式俘能结构可输出电压10.88 V,功率6.975 mW;LTspice软件仿真结果表明能量管理电路可实现电压转换,并稳定输出电压3.3 V.根据机械系统与电路系统的相似关系,对自供电系统整体建模,Matlab/Simulink软件仿真结果显示:压电俘能结构输出电压10.87 V、功率6.989 mW,自供电系统终端可输出3.3 V电压,结果与俘能结构和能量管理电路仿真、测试结果基本一致,说明系统整体建模正确,方案合理.通过现场测试,通风口处风速为2.6 m/s时,自供电系统能够输出电压3.3 V,为监测传感器稳定供电,该研究可在通风监测传感器自供电系统中广泛应用.      

双稳态压电-电磁复合俘能器非线性动力学分析

提出一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电材料的双稳态悬臂梁式压电-电磁复合俘能器结构。考虑到大变形时材料的几何非线性特点,基于Euler-Bernoulli梁理论和Hamilton原理建立系统分布式参数模型,采用Galerkin法与谐波平衡法给出响应解析解;利用MATLAB仿真分析激励频率、激励幅值、磁铁间距和负载电阻对系统输出性能的影响,并运用龙格-库塔法分析俘能器的非线性动力学特性;通过电路仿真研究悬臂梁在不同振动状态下的整流滤波特性。结果表明：随着激励幅值的提高,系统阱间运动的频率带宽会逐渐增大;存在一组最优的压电负载和电磁负载,使得系统输出总功率达到最大;负载的改变不会影响阱间运动的频带宽度;随着激励的增强,系统在混沌运动和周期运动间进行状态转换,可以利用标准桥式整流滤波电路进行周期运动时的能量采集,但该电路无法稳定收集混沌运动时的系统输出。     

悬臂梁双压电振动能量采集器的发电性能

为了收集环境中的振动能量,实现无线传感器网络节点等低能耗器件的自供电,针对电动机的机械振动,设计了一种可采集电动机振动能量的压电振动能量采集器。研究了电动机转速、负载阻值和悬臂梁自由端固定、不同质量永磁铁块对压电振动能量采集器输出电压和输出功率的影响。实验结果表明,负载上电压随着负载阻值的增大而增大;输出功率不随负载阻值和所加永磁铁质量的增大,而是存在一个最优负载和一个最佳质量的永磁铁。当电动机的振动频率等于悬臂梁双压电振子的固有频率时,输出功率达到最大;并与理论计算值接近。     

悬臂梁双压电振动能量采集器发电性能研究

为了收集环境中的振动能量,实现无线传感器网络节点等低能耗器件的自供电,针对电动机的机械振动,设计了一种可采集电动机振动能量的压电振动能量采集器。研究了电动机转速、负载阻值和悬臂梁自由端固定不同质量永磁铁块对压电振动能量采集器输出电压和输出功率的影响。实验结果表明,负载上电压随着负载阻值的增大而增大;输出功率不随负载阻值和所加永磁铁质量的增大,而是存在一个最优负载和一个最佳质量的永磁铁,当电动机的振动频率等于悬臂梁双压电振子的固有频率时,输出功率达到最大,并与理论计算值接近。     

射频能量收集的小型化双频整流天线设计

针对传统的双频整流天线转换效率不高的问题,提出了一种用于射频（RF,radio frequency）能量收集的双频整流天线。其工作频段为1.75 GHz和2.45 GHz,主要由接收天线、阻抗匹配电路、二倍压整流电路和负载电路组成。基于小型化双频天线,引入一种新型双频阻抗匹配网络,以提高整流电路在较低输入功率下的射频-直流（RF-DC）转换效率。此外,采用新型阻抗匹配网络使得整流电路复杂度得以降低,减小了能量损耗。与传统的双频整流天线相比,-10 dBm输入功率条件下,在普通室内环境中新型双频整流天线具有更高的RF-DC转换效率。实验结果显示,在1.75 GHz GSM频段和2.45 GHz WLAN频段上最大RF-DC转换效率分别可以达到65.34%和54.3%。测试结果证明,其可以在物联网低功耗设备中得以应用。     

一种自给基准参考电压的前置稳压器设计与研究

设计1种可实现自给基准参考电压的前置稳压器.提出1种新的电路结构,该电路结构由前置稳压电路和基准参考电压产生电路组成.前置稳压电路输出稳定电压为芯片其他模块提供稳定电压,基准参考电压产生电路输出与电源无关的基准参考电压,作为前置稳压电路的参考电压,通过反馈机制,实现稳定输出,从而为芯片在供电电压波动较大的情况下,提供稳定电压.采用BCD工艺模型对电路进行仿真,仿真结果证明此种稳压器的线性调整率为0.008%,负载电流由0上升至100 m A时,负载调整率是1.18%,当频率为10 k Hz时,电源纹波抑制比为-58 d B,频率为40 k Hz时,抑制比为-29.7 d B.     

无源射频识别标签整流电路的分析与设计

整流电路的设计是无源射频识别(RFID)标签的关键技术之一.基于两种传统的整流电路,分析影响其输出电压和能量转换效率(PCE)的几个因素,在此基础上提出了一种改进的整流电路.该电路采用栅极交叉连接的结构来消除天线到芯片的阈值电压压降,并通过增加两个MOS管作为开关来抑制芯片到天线的电荷回流.电路的设计仿真结果显示,该整流电路具有较高的输出电压和PCE.     

内置压电臂流致振动能量收集研究

为了减少压电臂在水中的阻尼以及绝缘和腐蚀等问题,本文提出一种内置悬臂梁的水下压电能量收集装置。首先对带有质量块的压电臂进行了自由振动衰减实验,确定压电臂的固有频率、阻尼比以及机电耦合系数,得到了压电臂固有频率与阻尼比随负载电阻变化的规律。之后在水槽中进行了流致振动能量收集实验,通过调节流速大小,在同一流速下更换不同阻值负载,得到输出电压及功率随流速及电阻的变化规律。结果表明输出电压随着负载电阻的增大而增大,在某一流速下会产生锁频现象,使得输出电压及功率最大。数据分析得到各电阻的最大功率出现在U=0.816 m·s~(-1)处,系统的最大功率出现在电阻值为680 kΩ时。     

新型双方向压电振动能量收集装置的设计与仿真

为了获取空间内各个方向的振动能量,设计了一种新型双方向压电振动能量收集装置,在非线性压电能量收集装置的基础上,通过悬臂梁z方向振动和磁性滚筒x方向的振动以及绕x方向的摇摆来获取多方向的振动能量。利用ANSYS对该模型建模与仿真得到瞬态分析下的系统输出电压与激励频率的对应关系,发现新型压电振动能量收集装置不仅降低了系统的共振频率,而且系统的有效响应频带拓宽了210%。     

应用于DVB-T系统的RSSI设计

设计并实现了基于TSMC 0.18 μm CMOS工艺应用于DVB-T系统的RSSI电路.核心电路采用非平衡源极耦合对结构作为整流器,具有良好的全波整流功能;放大器采用折叠式二极管负载结构,既适合低电源电压工作,又具有良好的工艺和温度稳定性;偏置电路采用自举基准源,具有良好的电源抑制比.芯片测试结果表明:在供电电压为1.8 V时,该RSSI的功耗为3.7 mW;在输入信号频率为36 MHz,功率为-31.5～-11.5 dBm的动态范围内,输出的指示直流电压为1.54～0.54 V,非线性误差小于±1.2 dB,实现了功率指示功能.     

压电能量俘获系统建模及仿真

针对压电悬臂梁结构能量俘获系统进行建模,利用电路系统和机械系统的相似关系,将压电俘能结构模型等效为电路系统模型;为建立压电能量俘获系统完整模型,基于LTC3588-1为核心的能量转换电路等效为降压及整流电路,并利用LTspice软件仿真验证该等效电路的正确性.在Matlab/Simulink系统中搭建压电能量俘获系统整体模型并进行仿真,根据仿真结果对模型参数进行优化.通过对实验数据对比、分析,验证系统模型的合理性,结果表明系统可以稳定输出3.3 V直流电压,最佳阻抗匹配条件下,输出功率为2.6 mW.      

CPT系统拾取端能量注入式稳压电路的设计

针对非接触电能传输系统的输出电压控制方式,分析了影响CPT系统输出电压稳定性的因素,设计了一种能量注入式的拾取端稳压电路.该电路以输出电压为控制对象,以输出功率为控制目标,根据负载的需求实现系统输出电压的稳定,并且在能量状态转换的过程中基本实现了软开关.从能量的角度对该电路的输出电压和输出能量状态进行了分析,根据能量状态的改变提出了功率调节占空比的概念,并给出了相应的计算公式.实验结果证明了该方法的有效性.     

基于SST的新型直流微网架构

提出基于固态变压器(solid state transformer,简称SST)的新型直流微网架构.设计SST的3级拓扑结构及其控制方案,输入级采用电压源型变换器,运用电压电流双闭环解耦控制实现一次侧直流母线电压的稳定输出;隔离级的二次侧只对外供电,且采用不控整流电路;输出级为逆变器结构,运用双环控制实现交流电压的稳定输出.在PSCAD平台上针对几种典型工况进行仿真,结果表明所提架构具有较强的负载适应性.     

一种高精度双环反馈的新型过流保护电路

采用环路开关进行电路控制,与传统过流保护电路相比,可控电流源形成的输入偏置电压使其具有更好的鲁棒性,从而保证过流保护电路的精度.同时,三极管动态输出阻抗构成的开关能够让输出电压在轻重负载切换时具有自恢复能力.仿真结果表明,启动过流保护电路的电流阈值误差被控制在10%以内,有效提高了过流保护电路的精度,实现了输出电压的自恢复功能.     

低频楼梯压电发电装置的数学模型和实验

 为收集和利用密集人群对楼梯的踩踏能量,设计了一种基于低频的新型楼梯压电发电装置,基于RLC 等效内阻建立了该装置的发电电路和数学模型;利用搭建的振动实验平台,对等效电路和数学模型进行实验验证。结果表明,在低频条件下,激励位移越大,频率越小,该压电发电装置输出的电能越大;压电发电单元的实验输出电压为电路中等效电阻Z₂的电压,利用数学模型计算得到的理想电压源电压是实验空载电压的2.64~2.88 倍;通过对实验数据的分析计算,得到了与理论计算电压变化规律相一致的实验电压源电压,两者最大误差为7.1%,验证了该压电发电单元等效发电电路和数学模型的正确性。