0 引言

    環(huán)境中振動能量收集越來越受到傳感器領(lǐng)域的關(guān)注。隨著生產(chǎn)工藝的不斷提升，小型電子元件的功率不斷降低，使得諸如無線傳感器節(jié)點(diǎn)等低能耗設(shè)備的自供電成為可能。目前，利用環(huán)境中的振動能量為這些小型電子設(shè)備供電，替代或減少外部電源及充電電池成為了研究熱點(diǎn)。這些振動能量來源包括聲波振動、機(jī)械振動等，其中機(jī)械振動能量來源豐富，足以滿足應(yīng)用需求，通過壓電式能量收集器可以方便地將其轉(zhuǎn)化為電能。對壓電能量收集技術(shù)的研究主要分為兩個部分，即優(yōu)化能量收集器結(jié)構(gòu)和優(yōu)化存儲產(chǎn)生電荷的能量收集電路。

    壓電能量收集電路一般由全橋整流電路和電容及負(fù)載組成，但由于電信號的輸出過小，這些電路都難以為電子元件或傳感器直接供電。SODANO等^[1-2]研究了不同的壓電能量收集器以及利用電容或充電電池進(jìn)行能量存儲的方法。OTTMAN等^[3]開發(fā)了一種高效電路，用于存儲電荷以及為負(fù)載供電。LEFEUVRE等以及BADEL等^[4-5]開發(fā)了一種新型功率流優(yōu)化方法，用于提高能量轉(zhuǎn)換效率，這種方法基于“電感式同步開關(guān)收集技術(shù)”(SSHI)，雖然相比于標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路，這種方法提高了能量收集效率，但多數(shù)需要提供外部電源使微處理器產(chǎn)生開關(guān)信號。

    本文基于懸臂梁式壓電雙晶能量收集器，設(shè)計(jì)了由三倍壓電路及低功耗電源管理芯片LTC3588-1組成的能量收集電路，研究了低頻振動下電路輸出功率，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可為傳感器等低能耗設(shè)備供電。

1 壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)及理論模型

1.1 壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)

    壓電能量收集器通常為單晶或雙晶壓電片及金屬彈性層構(gòu)成的懸臂梁結(jié)構(gòu)，壓電元件工作在d31模式。其一端固定在基座上，通過基座振動產(chǎn)生激勵，壓電層中變化的應(yīng)變產(chǎn)生交變電壓經(jīng)壓電晶體片上的電極輸出。

    本文中壓電能量收集器采用電極并聯(lián)的壓電雙晶組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。上下兩片矩形的壓電晶體片粘合在金屬彈性層的兩側(cè)構(gòu)成電能輸出的一極，上層壓電晶體片的表面與下層壓電晶體片的表面相連構(gòu)成另一極。

1.2 壓電能量收集器的理論模型

    根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)176（1978），工作在d31模式的壓電元件的壓電方程為：

2 壓電能量收集電路

    能量收集多采用標(biāo)準(zhǔn)電荷捕獲電路。壓電能量收集器在機(jī)械振動作用下產(chǎn)生的交流電信號需經(jīng)橋式整流、濾波和DC-DC電壓變換單元后，輸出的電能再由儲能元件儲存起來^[7-8]。傳統(tǒng)的橋式整流電路，電路的壓降大，輸出的電壓不穩(wěn)定，且耗能多。為了收集到盡可能多的能量，本文使用三倍壓電路，先將電壓升壓，然后用以LTC3588-1芯片為核心電源管理電路整流和穩(wěn)壓。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.1 三倍壓電路

    低頻振動時(shí)，壓電能量收集器產(chǎn)生電壓較小，且電源管理芯片工作電壓需要大于2.7 V，故本文設(shè)計(jì)了如圖4的三倍壓電路，將壓電能量收集器產(chǎn)生的電壓進(jìn)行升壓。

    電路工作原理為：在正弦電壓源的第一個正半周時(shí)C1被充電至U，第一個負(fù)半周時(shí)C2上的電壓被充電到接近2U；當(dāng)?shù)诙€正半周時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，D2截止，C2上的電壓與電源串聯(lián)經(jīng)D3對C3充電至3U。

    在開始的幾個周期內(nèi)C3上電壓并不能真正充至3U，經(jīng)過幾個周期之后C3上累積的電壓約為3U，從而在負(fù)載兩端得到近似于三倍的電壓^[9]。本文電路輸入端采用低頻振動時(shí)壓電能量收集器等效輸出，電壓峰值為3 V，振動頻率為3 Hz。其輸出波形如圖5所示。

2.2 電源管理電路

    美國凌力爾特公司推出新型電源管理芯片LTC3588-1，以優(yōu)化對低壓電源的管理。LTC3588-1內(nèi)部集成一個低損耗、全波橋式整流器和一個高效率降壓型轉(zhuǎn)換器，通過壓電能量收集器收集環(huán)境中的振動能量，然后將這種能量轉(zhuǎn)換成調(diào)節(jié)好的的電壓輸出，可以為微控制器、傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和無線傳輸組件供電。

    LTC3588-1的輸入電壓為2.7 V～20 V，可設(shè)定4種不同的電壓輸出：1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V。LTC3588-1可對輸入的電壓進(jìn)行整流并通過外部存儲電容器進(jìn)行濾波、存儲，同時(shí)通過內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓、限幅。LTC3588-1有11個引腳，當(dāng)D1為高電平、D0為低電平時(shí)，其輸出電壓為3.3 V。電源管理電路如圖6所示。

2.3 能量收集電路

    整體能量收集電路如圖7所示，壓電能量收集器將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，通過三倍壓后，電源管理電路對電壓進(jìn)行穩(wěn)壓和存儲，然后就可以給低功耗的電子器件供電^[10-11]。

3 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果

    本文采用的壓電材料是PZT-5，金屬彈性層的材料是黃銅#CW617N，壓電能量收集器實(shí)物如圖8所示。按壓壓電能量收集器時(shí)的機(jī)械振動使壓電能量收集器產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的電壓最大值約為3 V，頻率為3 Hz左右，圖9是壓電能量收集器產(chǎn)生的電壓波形。在測試中，用本文設(shè)計(jì)的能量收集電路來收集壓電能量收集器產(chǎn)生的電能，電路輸出的電壓約為3.3 V，與電源管理芯片理論輸出電壓基本一致，其輸出波形如圖10所示。 

    圖11是一個基于觸摸檢測IC（TTP223B）的電容式點(diǎn)動型觸摸開關(guān)模塊。常態(tài)下，模塊輸出低電平，模式為低功耗模式。當(dāng)用手指觸摸相應(yīng)位置時(shí)，模塊會輸出高電平，模式切換為快速模式；當(dāng)持續(xù)12 s沒有觸摸時(shí)，模式又切換為低功耗模式，模塊供電電源可為DC 2 V~5.5 V，其正常工作的功率范圍是0.4 mW~20 mW。

    測試電路如圖12所示。經(jīng)過一段時(shí)間的充電后,電路輸出的電壓是3.3 V，用手指觸摸傳感器相應(yīng)的位置時(shí)，模塊上的LED指示燈會點(diǎn)亮，說明傳感器正常工作，此時(shí)模塊輸入端的電流是1.38 mA，功率為4.55 mW。若傳感器間斷工作，則可以延長傳感器的工作時(shí)間。

4 結(jié)論

    壓電能量收集器可實(shí)現(xiàn)將環(huán)境中的振動能量轉(zhuǎn)換為電能，解決電池帶來的污染問題以及特殊環(huán)境里的電池更換問題。本文設(shè)計(jì)的能量收集電路，在低頻下收集的電能可供功率為4.55 mW的觸摸式傳感器正常工作，實(shí)現(xiàn)了微弱電能的收集，驗(yàn)證了低功耗器件自供能的可行性。由于壓電發(fā)電具有節(jié)能、環(huán)保、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，因此作為新型能源將具有良好的應(yīng)用前景。

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