一種自感知型電感同步開關能量采集電路(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。和傳統的SSHI 電路一樣，在每個周期內，伴隨著振動位移的變化，電子開關會在電壓Vp 達到最大值時或者最小值時閉合。

圖6 SS-SSHI 電路電壓變化曲線

由于我們采用的是互補拓撲結構，所以電路中的最大值檢測和最小值檢測是對稱的。本文將重點討論最大值檢測原理(最小值檢測與此類似)，結合電路工作的四個階段，給出SS-SSHI 電路的工作特性。對于最大值檢測，開關R1，D1 和C1 組成包絡檢測器，T1 作為比較器，而T3 作為電子開關。四個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，由于壓電元件的電壓是從0 開始增加的，所以要有一個自然充電階段。自然充電時的電流走向如圖8，電路導通部分為圖中藍線部分。在這個階段只有兩個包絡檢測器電路是導通的，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也同時地增長。

圖7 電壓Vp 變化曲線

圖8 自然充電

第一次電壓翻轉階段：當Vp 達到它的最大值Vmax時，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，當下降值達到VD +VBE，也就是Vp = V1( T1 時刻) 時，三極管T1 導通。電容C1 通過T1(ec) ，D3，T3(be) ，Crect，D8，Li 和r開始放電，結果使得T3 導通。由開關T3 導通產生的感應回路：D5，T3(ce) ，Crect，D8，Li 和r 使得Cp 兩端迅速短路。Cp 開始從電壓V1 通過感應回路迅速放電，直到Vp 達到其局部最小值(t2 時刻)。第一次電壓翻轉的電流走向如圖9 所示，電路導通部分為圖中粗實線部分。

圖9 第一次電壓翻轉

第二次電壓翻轉階段：通過Li 的電流開始翻轉其方向，但是T3(ce) 這條回路由于D5 的電流翻轉而立即阻塞。但由D7，Crect，T4(ce) 和D6 組成的回路還是可以導通的。因為即使T4 是斷開的，在它的發射極和集電極總存在一個小的沒有充電的寄生電容。翻轉電流就通過這條回路，直到T4 的發射極—集電極電容CCE 充滿電，此時( T3 時刻)，Vp 變為V3。Vp的局部最小值也就是V2 可能導致最小值開關的誤判。因此R2 是必須的，以確保用來最小值檢測的C2 的放電比Cp 慢， 這樣可以跳過局部最小值。圖10 顯示了第二次電壓翻轉的電流走向，電路導通部分用加粗實線表示。第二次電壓翻轉在自感知的能量采集電路中起副作用，可以選擇小的發射極—集電極電容CCE 可避免這種作用。然而，實際三極管中永遠存在寄生電容。

圖10 第二次電壓翻轉

電荷中和階段：在t3 時刻后，T3 和T4 都斷開了，但C2 仍舊沒有結束放電，C2 上剩余的電荷將流入Cp 和C1 直到他們擁有相同的電壓。這個電荷中和又導致Vp 在進入下半個周期即最小值檢測之前增大了一點至V4。C2 實際放電是從t1 時刻開始的，但是為了便于分析，假設電荷中和階段和其它3個階段一樣也是獨立的，電荷中和階段的電流走向如圖11，電路導通部分用粗實線表示。

圖11 電荷中和

最小值開關檢測可由電路中剩余的對稱部分完成，其原理和最大值檢測類似。只是對于最小值檢測，中間電壓就分別變為-V1，-V2，-V3 和-V4。