基于振动压电能量收集的接口调理电路设计(3)

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1.3 传统振动能量采集电路

传统的能量采集电路是由整流桥、滤波电容和负载组成，这种电路的能量采集效率很低，直接导致压电发电机的输出功率降低，负载所获功率减少。针对这种情况，在 2007 年，Kim 等人将 PEG 的能量采集电路改为由二级管整流器（AC/DC）和 DC/DC 转换器组成，如图 1.3 所示。其中 DC/DC 转换器的加入使得能量收集效率提高了 7 倍。降压转换器的效率为 74%~88%。通过使用 DC/DC 转换器的不连续导通模式，建立了具有简单控制电路的独立能量收集系统。

图 1 能量收集系统示意图

通常，通过振动方程、压电本构方程、力学边界条件来对压电式振动能量采集电路分析，在设计中也可采用等效电路法，将压电元件（能量转换结构）用等效电路表示，这样可以将较为复杂的机电耦合关系转化为单一的电路问题来讨论。

全波整流电路

存储

电容负载

压电振子电荷等效电路功率调理电路

图 2 简化能量收集电路图

图中左边部分是基于集总参数的理想压电元件等效电路，将压电振子等效为一个正弦电荷源 Qp 与静态夹持电容 Cp 并联；中间部分是一个整流桥电路，假设它又理想的二极管组成，I1 为流入整流桥的电流；Cc 是滤波电容，与整流桥形成整体；负载等效为一个阻性元件，通过直流。文献综述

压电振子开始工作时，压电振子产生的交流电信号经过整流桥后变成脉动直流信号，并将能量存储在电容中为负载供能；当电路工作稳定时，只有当压电振子两端 U 的电压大于整流桥输入电压 U1 时，压电振子产生的电信号才能经过整

流桥对存储电容充电。否则，整流桥二极管处于截止工作状态，存储电容放电为

负载供能。这里考虑将 PEG 与能量存储电路（Cc）相连，是为了适应负载的直流供电需要，保证电信号的兼容性使直流电平平整化。

参考文献[15]指出，“引信电路（负载）要求工作在其额定电信号条件下以便达到负载最佳工作状态。传统压电能量采集电路输出电压信号会随着压电振子振态变化而变化，而无法输出一个恒定的输出电压信号，这可能影响负载的正常工作。解决这个问题，一般的方法是在压电振子和整流电路之间加一个控制电路（元件），控制压电振子输出电压，但这种方法虽然是控制了外激励下压电振子输出能量上限值，但要求有足够的存储电容 Cc，然而，这在设计上对存储电容 Cc 更来!自~751论-文|网www.751com.cn

严格，且大容量、大尺寸的电容不满足引信结构小体积的要求（目前，引信电路

不能集成，还是分立元件结构）。”有效的措施是“在能量采集电路输出端和负载之间加一个稳压电路（芯片），从而保证负载上恒定电压”。本论文正是根据这个方案来设计能量采集电路的。

2 共振腔内气流流动的计算流体动力学仿真

2.1 计算流体动力学方法

通常所说的流体动力学（Computational Fluid Dynamics），简称 CFD,这一门学科的实质就是在普通的电子计算机上面进行流体还有气体动力学上的数值求解；是通过数值求解的方法求解各种简化之后的或者是非简化的流体动力学的基本方程，在完成这些计算之后,就能够得到模型在各种条件下的流动数据还有作用于模型上面绕流体上的力、力矩还有包括模型上的流动图像和其热量等等。随着计算机技术的高速发展还有高速巨型的计算机出现，在上个世纪的 70 年代到现在，计算流体动力学有了突飞猛进的发展。它的兴起从而促进了实验研究和理论分析的发展，同时将实验研究还有理论分析的方法联系起来，从而使得简化流动模型的建立提供了更加多的一句，因此使得很多的简化方法得到了发展还有完善。计从理论的角度上面来说 CFD 几乎可以解决所有涉及到流体的热交换或者流动亦或是分子的运输等等现象的问题；与传统实验方法想比较而言，CFD 时能实用计算机和 CFD 的软件，因此其花费低、周期相对的较短、损耗也相对的较少，也不存在洞壁干扰、支架干扰等等方面的限制还有影响，而且 CFD 还有着其他方面的优势,比如说可以定量地给出各个物理量之间的流动参数，细致地描述局部还有总体的流场，定量地刻画流动随着时间上面的变化，任意进行流场的重构和诊断的分析等等，因此在航空和航天领域得到了越来越多，越来越广泛的应用[16]。