文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.010
中文引用格式： 榮訓(xùn)，陳志敏，曹廣忠. 一種低功耗的微弱能量收集電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(7)：42-45，49.
英文引用格式： Rong Xun，Chen Zhimin，Cao Guangzhong. The design of a low-power circuit for ultra-low energy harvest[J].Application of Electronic Technique，2016，42(7)：42-45，49.
0 引言
隨著社會(huì)工業(yè)化程度越來(lái)越高，對(duì)能源的需求也越來(lái)越多。但是，自然界的能量是遵守能量守恒定律的，工業(yè)所需的電能總是由其他形式的能量轉(zhuǎn)化而來(lái)。而目前的發(fā)電廠仍然以消耗石油、煤、天然氣的火力發(fā)電為主流。根據(jù)目前的消耗速度，數(shù)十年后，我們發(fā)電廠所需的石油、煤炭等能源必將耗盡[1]。針對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的能源危機(jī)，微弱能量的收集也受到了很大的重視,成為研究熱點(diǎn)[2-3]。目前人們能夠收集的微弱能量主要有以下幾種[4]：
(1)光能：從環(huán)境中的光照中獲取能量，如太陽(yáng)光。
(2)熱能：由具有溫度差的環(huán)境中或得能量，如體溫。
(3)振動(dòng)能：在振動(dòng)的環(huán)境中獲取能量，如引擎的振動(dòng)。
(4)摩擦能：通過(guò)物體的相互摩擦而產(chǎn)生能量。
本文設(shè)計(jì)了一種低功耗的微弱能量收集電路。利用LTC3588-1電源管理芯片為核心的電壓變換電路、LTC4071充電控制芯片為核心的充電控制電路、TPL5100定時(shí)器電路設(shè)計(jì)的微弱能量收集電路，將收集到的能量存儲(chǔ)到鋰電池或者提供給負(fù)載供電。在將能量收集器接入電路的情況下，驗(yàn)證了微弱能量收集電路的可行性，以及以MSP430F149和nRF24L01為負(fù)載，證明了所設(shè)計(jì)的電路可以將收集到的微弱能量用來(lái)給負(fù)載供電。
1 多種微弱能量收集方法
1.1 振動(dòng)能量
環(huán)境中的振動(dòng)能無(wú)處不在，且收集方便，目前對(duì)環(huán)境中振動(dòng)能量的收集越來(lái)越受到人們的關(guān)注。通過(guò)壓電材料制作成的振動(dòng)能量收集器就可以收集環(huán)境中的振動(dòng)能量[5]。近幾年來(lái)基于壓電效應(yīng)發(fā)電的相關(guān)研究越來(lái)越多，最為著名的是由麻省理工學(xué)院研發(fā)的壓電跑鞋，它是將一種壓電材料的結(jié)構(gòu)放在跑鞋的鞋底，通過(guò)人行走時(shí)腳跟的壓力以及腳的彎曲產(chǎn)生的壓力，通過(guò)壓電材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，穿上這種跑鞋人以0.8 Hz的頻率行走時(shí)，最高可以產(chǎn)生3 V的電壓，輸出功率最大可以達(dá)1.3 mW，壓電跑鞋的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 太陽(yáng)能
太陽(yáng)能是目前人類(lèi)使用最廣泛的能量之一，由于科學(xué)技術(shù)的提高，太陽(yáng)能已經(jīng)逐步走進(jìn)了我們的生活，例如太陽(yáng)能熱水器。太陽(yáng)能利用的是太陽(yáng)能電池板通過(guò)光照后輸出電能，利用太陽(yáng)能發(fā)電有很多優(yōu)勢(shì)，例如它在發(fā)電過(guò)程中無(wú)污染、無(wú)噪聲[6]。而且隨著各國(guó)研究者對(duì)太陽(yáng)能電池的深入研究，太陽(yáng)能電池板對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率也會(huì)不斷提高，生產(chǎn)成本則會(huì)不斷降低，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在未來(lái)將會(huì)成為一項(xiàng)具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)。圖2所示是某光伏發(fā)電廠的太陽(yáng)能電池板。
1.3 溫差能量
在自然界和人工裝置中，溫度梯度和熱流無(wú)處不在，這為我們從環(huán)境中收集溫差能量提供可能。通過(guò)熱電能量轉(zhuǎn)換，可以將環(huán)境中存在的溫度梯度和熱流轉(zhuǎn)換為電能。溫差為有效的能量轉(zhuǎn)換提供了電勢(shì)，而熱流則提供了功率[7]。雖然從熱能中提取的功率很低，但是對(duì)于無(wú)線傳感器這樣的特殊低功率器件，溫差能量收集是切實(shí)可行的，并且隨著這些應(yīng)用所需的功率不斷降低，溫差能量收集將被廣泛采用。圖3是2014年P(guān)rijic A[8]等設(shè)計(jì)的溫差能收集器實(shí)現(xiàn)了環(huán)境中溫差能量的收集。
1.4 摩擦能量
2006年美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的王中林教授設(shè)計(jì)了一種摩擦生電和靜電感應(yīng)相結(jié)合的摩擦型納米發(fā)電機(jī)[9]，這種發(fā)電機(jī)能夠用來(lái)將物體間的摩擦能轉(zhuǎn)化為電能。摩擦納米發(fā)電機(jī)作為一種能量產(chǎn)生單元，利用摩擦電效應(yīng)，兩個(gè)電極性不同的摩擦材料薄層之間會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使得兩種摩擦材料之間產(chǎn)生電勢(shì)差，從而產(chǎn)生電能。如圖4是Zhu Guang[10]等最近做成的旋轉(zhuǎn)摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)定子轉(zhuǎn)動(dòng)，使得電極與轉(zhuǎn)盤(pán)摩擦，然后產(chǎn)生電能，從而實(shí)現(xiàn)摩擦能量的收集。
2 微弱能量收集電路
傳統(tǒng)的微弱能量收集電路主要包括橋式整流電路、電荷同步獲取電路和電感同步開(kāi)關(guān)電路，能量存儲(chǔ)裝置采用超級(jí)電容或充電電池。傳統(tǒng)的能量收集電路，電路壓降大，電路自身能耗過(guò)大，且輸出電壓不穩(wěn)定，使得電路的收集效率很低。為了盡可能多地收集到更多的能量，本文使用LTC3588-1電源管理芯片為核心的電壓變換電路來(lái)進(jìn)行整流和穩(wěn)壓，利用LTC4071充電控制芯片為核心的充電控制電路，將收集到的富余能量進(jìn)行存儲(chǔ)，在能量收集不足的情況下，給負(fù)載備用供電，采用TPL5100定時(shí)器電路來(lái)定時(shí)輸出電能，以達(dá)到節(jié)約電能，延長(zhǎng)電池工作時(shí)間的目標(biāo)。系統(tǒng)框圖如圖5所示。
2.1 電壓變換電路
電壓變換電路以LTC3588-1電源管理芯片為核心。LTC3588- 1是美國(guó)凌力爾特公司推出的新型電源管理模塊, 以?xún)?yōu)化對(duì)低壓電源的管理。LTC3588-1內(nèi)部電路可以分為4個(gè)模塊：輸入端整流限壓模塊、濾波模塊、 DC-DC穩(wěn)壓模塊。而且LTC3588-1的自身功耗極低，輸出能力強(qiáng)，靜態(tài)工作電流只有950 nA，輸出電流最大可以達(dá)到100 mA。PZ1、PZ2 的輸入既可以是交流也可以是直流，使之可以滿足更多的場(chǎng)合。同時(shí)，Vin端接地的穩(wěn)壓二極管使得轉(zhuǎn)化后的電壓控制在20 V以?xún)?nèi)，起保護(hù)電路的作用。電壓變換電路如圖6所示。
2.2 充電控制電路
充電控制電路以LTC4071充電控制芯片為核心，LTC4071 能夠?qū)崿F(xiàn)從低電流、斷續(xù)或連續(xù)電能對(duì)鋰離子/鋰聚合物電池充電。LTC4071 提供了可通過(guò)ADJ引腳來(lái)選擇3種不同的浮置電壓功能，當(dāng)引腳接地時(shí)，浮置電壓為4.0 V；當(dāng)引腳懸空時(shí)，浮置電壓為4.1 V；當(dāng)引腳接高電平時(shí)，浮置電壓為4.2 V，該浮置電壓的準(zhǔn)確度達(dá)±1%。通過(guò)在 NTC 熱敏電阻溫度高于40 ℃時(shí)自動(dòng)降低電池浮置電壓，該器件的集成化電池?zé)崃坎轵?yàn)器延長(zhǎng)了電池的使用壽命并改善了可靠性。另外，LTC4071 還提供了通過(guò)LBSEL引腳來(lái)選擇電池低電量的斷接電平和通過(guò)HBO引腳來(lái)指示電池高電量狀態(tài)輸出。充電控制電路如圖7所示。
2.3 定時(shí)器電路
定時(shí)器電路的核心是TPL5000定時(shí)器芯片。TPL5000是德州儀器推出能顯著降低系統(tǒng)待機(jī)功耗的可編程系統(tǒng)定時(shí)器。支持看門(mén)狗定時(shí)器且流耗僅 30 nA。此外，它還可替代微控制器(MCU)的內(nèi)部定時(shí)器，由于系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間都處于睡眠或斷電模式下，但MCU內(nèi)部定時(shí)器的功耗非常大。而TPL5000的流耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MCU定時(shí)器，可顯著降低功耗，從而減少60%至80%的總功耗，延長(zhǎng)這些系統(tǒng)的工作時(shí)間。
TPL5000可編程定時(shí)器通過(guò)DO、D1、D3引腳來(lái)選擇定時(shí)器的延遲時(shí)間，可選定時(shí)延遲在1～64 s之間。當(dāng)PDOOG引腳為高電平時(shí)，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，定時(shí)時(shí)間到后，WAKE引腳輸出持續(xù)時(shí)間為15 ms左右的高電平，高電平的值約等于VCC的值。因此，它能為測(cè)量數(shù)據(jù)變動(dòng)緩慢的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)間斷供電，可進(jìn)一步延長(zhǎng)傳感器等眾多應(yīng)用的電池使用壽命。定時(shí)器電路如圖8所示。
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果
由于環(huán)境中振動(dòng)無(wú)處不在，而且便于收集，因此本文使用的微弱能量收集器是壓電能量收集器。壓電能量收集器是利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能。懸臂梁式能量收集器結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)的振動(dòng)能量收集器結(jié)構(gòu)[11]，圖9所示為一典型的壓電雙晶懸臂梁式的能量收集器，懸臂梁中間是金屬層，在金屬層的上下表面都貼有壓電陶瓷作為壓電層。一端固定于基座中，另一端為自由端，自由端上附有一個(gè)質(zhì)量塊?；糜诃h(huán)境中，當(dāng)它受到振動(dòng)源作用上下振動(dòng)時(shí)，梁的自由端在慣性作用下也將上下運(yùn)動(dòng)，懸臂梁將發(fā)生彎曲變形，上下表面的壓電陶瓷一個(gè)受拉，一個(gè)受壓，壓電陶瓷中產(chǎn)生橫向應(yīng)力，將在壓電層上產(chǎn)生電荷，從而將機(jī)械的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能。
測(cè)試中，用激振器來(lái)產(chǎn)生振動(dòng)，來(lái)激勵(lì)壓電能量收集器，用于實(shí)驗(yàn)壓電雙晶片的中間層長(zhǎng)度為70.25 mm，寬為53.09 mm，厚度為0.2 mm；壓電層長(zhǎng)度為50.33 mm，寬為50.33 mm，厚度為0.2 mm。然后將能量收集器接入到微弱能量收集電路中，以MSP430F149和nRF24L01為負(fù)載組合成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)際測(cè)試。測(cè)試電路的原理圖如圖10所示。
實(shí)驗(yàn)中，電壓變換電路將能量收集器產(chǎn)生的電壓進(jìn)行變換，輸出穩(wěn)定直流電壓給負(fù)載供電，如果能量收集器產(chǎn)生的電能多，則可以給負(fù)載供電的同時(shí)，給電池充電，如果收集的能量不夠，則可以由電池來(lái)反向供電。如圖11所示，定時(shí)器選擇的定時(shí)間隔是1 s，每隔一秒，TCAL端產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)15 ms的高電平，觸發(fā)MSP430F149，讓它從低功耗狀態(tài)進(jìn)入正常的工作模式，無(wú)線傳感器NRF24L01也從待機(jī)模式進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，然后把數(shù)據(jù)通過(guò)NRF24L01發(fā)送出去，另外一端用相同的傳感器去接收所發(fā)送的數(shù)據(jù)，無(wú)線發(fā)射傳感器發(fā)射的距離為10 m以上，整個(gè)發(fā)射的過(guò)程持續(xù)時(shí)間2 ms。整個(gè)電路消耗的平均功率為182 μW左右，如果在實(shí)際應(yīng)用中，選擇的時(shí)間間隔更長(zhǎng)，那么電路所消耗的功率將更小。
4 結(jié)論
微弱能量收集實(shí)現(xiàn)了將環(huán)境中其他形式能量轉(zhuǎn)換為電能，可以將收集到的電能做為電池供能的一個(gè)補(bǔ)充，用來(lái)延長(zhǎng)電池的使用壽命以及解決特殊環(huán)境里的電池更換問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的低功耗微弱能量收集電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境中多種微弱能量的收集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 與傳統(tǒng)的微弱能量收集電路相比,本文設(shè)計(jì)的低功耗微弱能量收集電路實(shí)現(xiàn)了微弱電能的收集，將電路的功耗降低到了182 μW，驗(yàn)證了給低功耗器件供能的可行性。由于微弱能量的收集具有節(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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