0 引言
作为物联网中重要组成部分的无线传感网络发展十分迅速。对于目前的传感节点而言，电池供电仍然是能量供给的主要方式。但是，对于一些需要大规模布置传感节点的应用场景，更换电池需要消耗大量的时间与精力；而对于特殊应用场景下的传感节点，环境复杂（工业节点）和不便更换电池（植入式医疗设备）的情况并存，在这些情况下，电池就不是无线传感网络供电的最优解决方案[1-3]。通过收集环境中微弱能量，自获能技术可为无线传感网络的电源供给提供行之有效的解决方案。这其中的压电能量收集系统拥有结构简单、输出能量高等优点，是目前振动能量俘获的主要研究方向。
在振动能量收集的研究中，基于悬臂梁结构的压电片作为换能器被广泛使用。由于压电片内部电容的存在，压电能量源所产生电能中的一部分因电容上的电荷被内部电流源过零后中和而无法被有效收集和利用，造成了能量俘获能力不足，这就需要外部接口电路来辅助，实现压电能量源两端电容上的电荷无损翻转。标准压电接口电路早期只将交流能量转换为直流能量，并未解决内部电容电荷损失问题，效率极低。针对这一问题，同步电感开关收集（SSHI） 接口电路提供了较好的解决方案，在电流过零点时，通过导通外部电感，与压电能量源内部电容形成了RLC谐振回路，能够快速翻转压电能量源内部电容两端的电压。同步电荷提取（SECE）接口电路通过压电能量源产生电荷的提取与压电能量源振动之间的同步，实现较好的能量抽取过程。但是，SSHI与SECE接口电路为了达到较高的能量收集效率，往往需要很大的电感器件来实现，不利于小型化设计。而同步振荡器开关收集（SSHO）接口电路与SSHI电路原理非常类似，在压电能量源电流过零点时，将压电振荡器与能量源并联，产生谐振，辅助压电能量源两端电压翻转。但目前的研究还处于起步阶段，所完成的工作皆为分立器件搭建，且用于翻转的压电振荡器体积也较大。同步电容开关能量收集（SSHC）接口电路是近年来被提出的一种新结构，在内部电流源过零点时，通过电荷分享的形式将能量转移出内部电容，经过外部电容阵列的翻转，再将能量传输回内部电容，从而避免能量损失。但SSHC对压电能量源内部寄生电容的大小非常敏感，只有极少数压电谐振器可以实现全集成结构SSHC电路，状态判定及控制电路还不成熟，存在很大的改进空间。
综上所述，本文针对百赫兹级别的压电谐振器应用，提出了一种采用外部电容来辅助电压翻转的改进型能量俘获电路。电路在压电能量源内部电流源过零点时，将内部电容上的电
荷转移至外部电容上，然后进行电荷翻转，最后再把翻转后的电荷输送回内部电容上，避免内部电容电荷损失。基于该技术的接口电路能够在有效缩减系统体积的同时，提供相对于标准接口较高的能量收集效率；并且采用有源整流器来进一步提升系统的能量传输效率。本文将首先分析压电能量收集的基本原理，然后给出所设计电路的结构以及对子电路的分析，最后展示后仿真结果，与国内外压电能量收集工作的对比。
1 工作原理分析
1.1 压电能量源等效电路
压电能量源的等效电路可以理解为阻尼机械弹簧-质量系统与电气部分耦合，如图1所示。压电能量源由机械与电气部分组成，其中LM、CM、R电源线扣M分别为机械质量、弹簧刚度、机械损耗。σM为压电能量源输入振动激励。机械部分输出端为σP，是压电能量源在σM激励下的电学响应。
图 1 压电能量源的等效电路模型
Fig. 1 Equivalent model of piezoelectric energy source
在电学等效模型中，压电能量源可以看作一个等效电流源IP陶瓷运输、电容CP和电阻RP的并联，其中RP粉底原料和苟仲武CP分别为压电片电极间的电荷泄漏电阻和寄生电容，RP一般很大，可以视作开路。电流源IP的大小取决于压电片的激励，可表示为
式中：硅胶分条机I0取决于压电片振幅；fP为激励频率。
对图1的等效模型进行分析可以得到3个特性：（1）输出电流特性取决于压电片的振幅和频率，不同输入振动激励条件下，输出特性有所不同；（2）发生振动时实现机械振动到电能的转化，输出电压取决于压电能量源与后级电路之间的阻抗关系；（3）高输出阻抗压电能量源不能有效地驱动低输入阻抗负载。综上，这些特性都使得接口电路不可或缺。下面将分析2类主流接口电路各自的工作特点以及输出特性。
扫二维码防伪1.2 标准接口电路
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