基于Bias-Flip技術(shù)調(diào)諧頻率的壓電式能量采集器件的研究.pdf

1、壓電式振動(dòng)能量采集器通常是利用機(jī)械諧振器實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)振動(dòng)源頻率和機(jī)械諧振頻率相等時(shí),振動(dòng)將被諧振器放大,作用在壓電材料上的張力使其產(chǎn)生電能。但是這些器件有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn),那就是在大多數(shù)情況下,振動(dòng)源的頻率和機(jī)械諧振頻率是不匹配的,因此此時(shí)采集器采集到的能量是微乎其微的。事實(shí)上,源振動(dòng)頻率可能隨時(shí)間變化,而且可能有一個(gè)較寬的頻率范圍。目前市場(chǎng)上的壓電式振動(dòng)能量采集器僅能采集單一頻點(diǎn)的振動(dòng)能,需要根據(jù)不同的振動(dòng)能源定制相應(yīng)的采集器。為了突破這

2、一難題,本文基于頻率調(diào)諧理論和Bias-Flip技術(shù),實(shí)現(xiàn)了壓電式振動(dòng)能量采集器在0.9~1.1的頻帶范圍內(nèi)的能量最優(yōu)化,并成功實(shí)現(xiàn)了高效整流。
　　因?yàn)橹Z頓(Norton)等效電路的局限性,本文從壓電方程出發(fā)推導(dǎo)正弦的穩(wěn)定狀態(tài)下的線性等式,包括機(jī)械位移,輸出電壓和輸出能量,建立了精確的物理模型。本文研究表明,當(dāng)壓電材料電場(chǎng)強(qiáng)度較弱時(shí),有效諧振頻率被調(diào)諧到開路諧振頻率處,而且當(dāng)器件的輸出端加一個(gè)可調(diào)諧的復(fù)雜電感時(shí),可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶范

3、圍內(nèi)的能量最優(yōu)化。但由于本文研究的采集器是針對(duì)環(huán)境中的振動(dòng)能,實(shí)現(xiàn)能量最優(yōu)化需要的可調(diào)諧電感很大,是不切實(shí)際的。所以本文采用 Bias-Flip技術(shù)用非常小的電感和超低功耗的MOS開關(guān)來(lái)模擬大的(約25H)可調(diào)諧的電感。
　　本文發(fā)現(xiàn),當(dāng)在壓電式能量采集器件的輸出端加一個(gè) Bias-Flip電感后,它與壓電式能量采集器件的輸出電容一起形成了一個(gè)諧振電路。這個(gè)諧振電路和機(jī)械諧振器耦合形成耦合諧振器。本文發(fā)現(xiàn),Bias-Flip的采用