动力问题是当今世界广泛重视的热门问题，各国研讨人员一向在尽力寻觅和开发新动力。近年来，环境振荡能量已成为研讨者的“ 新宠”，被应用在无线传感器网络的供电系统中，用以替代传统的电池供电。
压电能量收集因其具有转化功率高、结构简略、易于完结组织的细小化等许多长处而成为振荡能量收集研讨的热门。但是压电陶瓷片在振荡环境中仅能输出低功率、小电流的交流电，无法直接为电子器件供电。一般需求规划附加的能量收集电路，以便完结交直流转化和能量存储。怎么尽可能进步能量收集电路的能量传递功率是该类电路研讨中关怀的首要问题。
最早的能量收集电路由二极管桥式整流和大电容滤波构成。它被成为AC-DC 规范能量收集电路SEH(Standard Energy Harvesting)，但该电路能量传递功率偏低，尤其是对机电耦合系数较低的能量收集设备而言。为此，Guyomar 等人提出了电感同步开关收集电路SSHI( Synchronized Switch Harvesting onInductor)，因为该电路规划可大幅进步能量传递功率，已成为当时能量收集电路规划的干流办法。
需求指出的是，传统SSHI电路的原理是在振荡位移到达最大或最小时，闭合开关使电压翻转。为了和谐操控开关闭合，需求用外接供电的传感器检测位移，并用操控器操控开关，明显这种作业办法在收集能量的一起，还会耗费能量，有悖于环境能量收集的研讨初衷。针对该问题，本文提出了一种彻底不依托外部检测与操控设备的自感知型电感同步开关能量收集电路SS-SSHI( Self-Sensing Synchronized Switch Harvesting on Inductor)。该电路的长处是仅依托模仿电路即可完结检测和操控，防止了对外界设备和能量的依托。在该电路中，压电片既是能量收集元件，又是传感检测元件，依托其输出电压的峰值检测与比较，可主动操控开关的闭合机遇。一起，采用了一种模仿电子开关技能完结开关闭合。文中给出了电路的作业原理与功率剖析，理论和试验研讨标明，比较于规范电路，SS-SSHI 电路即能明显进步能量收集功率，又可防止对外界设备和能量的依托。
1 压电振子电学模型
压电振子的电学模型能够等效为一个电流源和等效电容并联，如图1 所示。图中Cp 为压电片的夹持电容，Rp为压电片等效内部电阻，一般为几十兆欧或更大，ieq为等效电流源电流，可视为恒流源。
图1 压电能量收集模型
假定压电振子的等效电流源的电流为ieq，那么它和振荡速度联系如下：
其间αe 是外力—电压因子，x(t)为压电振子位移。
2 压电振子电学模型
压电振子一般发生的都是交流电，而咱们要供电的负载大部分则是要求直流电，这就使得在给外界负载供电之前需求对其进行整流，进步能量收集功率是该类电路规划中首要考虑的问题。
2.1 规范能量收集电路
规范能量收集电路SEH( Standard Energy Harvesting)是最常见的转化电路。它由规范的整流电路和滤波电容构成，一般挑选的滤波电容C r 要足够大以确保整流电压V DC 是一个坚持不变的直流电压，即时刻常数RCr远大于振荡周期。电路原理图如图2 所示。
图中C r为滤波电容，RL为等效负载，电路输出功率等于负载的输入功率。假如压电片电压| Vp| DC，那么当| Vp | 到达VDC 时，整流桥导通，压电片电压此刻就在| Vp | = VDC 处中止上升。当| Vp | 开端下降时，整流桥又开端断开，电路处于断开状况。
图2 规范能量收集电路
电容两头电压和电量的联系为：
q =C ● V (2)
式中q 为电容两头电荷，C 为电容巨细，V 为电容两头电压。
当电容两头电压为固定值时，电容上贮存的能量W 为：
W =V ● q (3)
依据(2)和(3) 能够得出规范电路的能量收集功率PSEH为：
这儿f0 =ω/2π是振荡频率，Cp 为压电元件夹持电容，VDC为整流直流电压，VOC，org 为原始开路电压幅值，VD 为二极管压降。
2.2 电感同步开关能量收集电路
传统的经典能量收集电路因为电路一向处于通路状况，电路自身损耗比较大，加之电路自身的结构缺陷，导致能量收集功率低下。为了处理这个问题，研讨人员提出了一种依据电感的同步开关的能量收集电路SSHI( Synchronized Switch Harvesting on Inductor)，该电路包含一个电子操控开关，当压电结构的位移到达最大值或最小值这个开关就被触发，研讨标明SSHI 电路的能量收集功率远高于规范电路。该类电路又分为并联同步开关电路( P-SSHI)和串联同步开关电路(S-SSHI)。
传统的SSHI电路原理图如图3 所示，电路的大部分时刻断开的，这样能量收集电路自身的损耗就比较小，能够很好的进步能量收集功率。开关只要在位移到达最大值或最小值时才闭合，此刻组成一个L-Cp 振荡回路，电路振荡周期远小于机械振荡周期，每次开关闭合后，存储在压电片Cp 上的能量便经过整流桥和电感L 转移到电容Cr上来。
图3 传统的SSHI电路原理图
经过(1)可知等效电流ieq和速度成份额，这些开关动作能够确保Vp 和ieq是同相位的，所以从机械部分到电部分的输入能量永远是正的。Lefeuvre 等研讨了SEH 电路和S-SSHI 电路的最大输出功率：
式中，α 为力因子，ω 是振荡角频率，C0 是压电元件夹持电容，UM 为压电元件振荡位移幅值，Qi 为SSHI电路质量因子。
经过上式能够看出S-SSHI 电路的最大输出功率是SEH 电路的(1+e-π/2Qi ) / (1+e-π/2Qi ) 倍，明显能够经过挑选适宜的电路质量因子Qi 明显的进步SSHI 电路的最大输出功率。
3 自感知型电感同步开关能量收集电路
但是传统的SSHI 电路的有一个丧命的缺陷：它不是一个自感知电路，即开关S 的通断，需求位移传感器和数字操控器，这些都需求额定的能量供应，有悖于能量收集研讨的初衷。为此，本文依据文献[12]给出的电子开关规划( 如图4)，提出了一种自感知的同步开关能量收集SS-SSHI(Self-Sensing Synchronized Switch Harvesting on Inductor) 办法，仅依托模仿电路就能够主动的依据压电元件输出电压的改变操控开关的开闭。
图4 电子开关
3.1 SS-SSHI电路作业原理
在自感知同步开关电路规划中，咱们使用了互补的晶体管拓扑结构来完结对压电片两头电压Vp 的直接包络检测：其间一部分用于最大值检测，剩余的对称部分用于最小值检测。对SSHI 电路的改善电路SS-SSHI 如图5 所示，图中的首要元件的类型如表1。
图5 SS-SSHI 电路原理图
