一種自感知型電感同步開關(guān)能量采集電路(一)

圖中Vp 為壓電陶瓷片兩端電壓，VC1 和VC2 分別為電容C1 和C2兩端電壓。和傳統(tǒng)的SSHI 電路一樣，在每個(gè)周期內(nèi)，伴隨著振動(dòng)位移的變化，電子開關(guān)會(huì)在電壓Vp 達(dá)到最大值時(shí)或者最小值時(shí)閉合。

圖6 SS-SSHI 電路電壓變化曲線

由于我們采用的是互補(bǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以電路中的最大值檢測(cè)和最小值檢測(cè)是對(duì)稱的。本文將重點(diǎn)討論最大值檢測(cè)原理(最小值檢測(cè)與此類似)，結(jié)合電路工作的四個(gè)階段，給出SS-SSHI 電路的工作特性。對(duì)于最大值檢測(cè)，開關(guān)R1，D1 和C1 組成包絡(luò)檢測(cè)器，T1 作為比較器，而T3 作為電子開關(guān)。四個(gè)階段的電壓變化如圖7 所示。

自然充電階段：電路剛開始工作時(shí)，由于壓電元件的電壓是從0 開始增加的，所以要有一個(gè)自然充電階段。自然充電時(shí)的電流走向如圖8，電路導(dǎo)通部分為圖中藍(lán)線部分。在這個(gè)階段只有兩個(gè)包絡(luò)檢測(cè)器電路是導(dǎo)通的，而所有的三極管是斷開的。正向的等效電流ieq給Cp ，C1 和C2 充電，這樣Vp ，VC1和VC2也同時(shí)地增長(zhǎng)。

圖7 電壓Vp 變化曲線

圖8 自然充電

第一次電壓翻轉(zhuǎn)階段：當(dāng)Vp 達(dá)到它的最大值Vmax時(shí)，電容C1 兩端的電壓為Vmax -VD ，這里VD 為二極管上面的壓降。接著，Vp 開始下降，當(dāng)下降值達(dá)到VD +VBE，也就是Vp = V1( T1 時(shí)刻) 時(shí)，三極管T1 導(dǎo)通。電容C1 通過(guò)T1(ec) ，D3，T3(be) ，Crect，D8，Li 和r開始放電，結(jié)果使得T3 導(dǎo)通。由開關(guān)T3 導(dǎo)通產(chǎn)生的感應(yīng)回路：D5，T3(ce) ，Crect，D8，Li 和r 使得Cp 兩端迅速短路。Cp 開始從電壓V1 通過(guò)感應(yīng)回路迅速放電，直到Vp 達(dá)到其局部最小值(t2 時(shí)刻)。第一次電壓翻轉(zhuǎn)的電流走向如圖9 所示，電路導(dǎo)通部分為圖中粗實(shí)線部分。

圖9 第一次電壓翻轉(zhuǎn)

第二次電壓翻轉(zhuǎn)階段：通過(guò)Li 的電流開始翻轉(zhuǎn)其方向，但是T3(ce) 這條回路由于D5 的電流翻轉(zhuǎn)而立即阻塞。但由D7，Crect，T4(ce) 和D6 組成的回路還是可以導(dǎo)通的。因?yàn)榧词筎4 是斷開的，在它的發(fā)射極和集電極總存在一個(gè)小的沒有充電的寄生電容。翻轉(zhuǎn)電流就通過(guò)這條回路，直到T4 的發(fā)射極—集電極電容CCE 充滿電，此時(shí)( T3 時(shí)刻)，Vp 變?yōu)閂3。Vp的局部最小值也就是V2 可能導(dǎo)致最小值開關(guān)的誤判。因此R2 是必須的，以確保用來(lái)最小值檢測(cè)的C2 的放電比Cp 慢， 這樣可以跳過(guò)局部最小值。圖10 顯示了第二次電壓翻轉(zhuǎn)的電流走向，電路導(dǎo)通部分用加粗實(shí)線表示。第二次電壓翻轉(zhuǎn)在自感知的能量采集電路中起副作用，可以選擇小的發(fā)射極—集電極電容CCE 可避免這種作用。然而，實(shí)際三極管中永遠(yuǎn)存在寄生電容。

圖10 第二次電壓翻轉(zhuǎn)

電荷中和階段：在t3 時(shí)刻后，T3 和T4 都斷開了，但C2 仍舊沒有結(jié)束放電，C2 上剩余的電荷將流入Cp 和C1 直到他們擁有相同的電壓。這個(gè)電荷中和又導(dǎo)致Vp 在進(jìn)入下半個(gè)周期即最小值檢測(cè)之前增大了一點(diǎn)至V4。C2 實(shí)際放電是從t1 時(shí)刻開始的，但是為了便于分析，假設(shè)電荷中和階段和其它3個(gè)階段一樣也是獨(dú)立的，電荷中和階段的電流走向如圖11，電路導(dǎo)通部分用粗實(shí)線表示。

圖11 電荷中和

最小值開關(guān)檢測(cè)可由電路中剩余的對(duì)稱部分完成，其原理和最大值檢測(cè)類似。只是對(duì)于最小值檢測(cè)，中間電壓就分別變?yōu)?V1，-V2，-V3 和-V4。