文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.010
中文引用格式： 榮訓，陳志敏，曹廣忠. 一種低功耗的微弱能量收集電路設(shè)計[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
隨著社會工業(yè)化程度越來越高，對能源的需求也越來越多。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。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]。針對未來可能出現(xiàn)的能源危機，微弱能量的收集也受到了很大的重視,成為研究熱點[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)振動能：在振動的環(huán)境中獲取能量，如引擎的振動。
(4)摩擦能：通過物體的相互摩擦而產(chǎn)生能量。
本文設(shè)計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定時器電路設(shè)計的微弱能量收集電路，將收集到的能量存儲到鋰電池或者提供給負載供電。在將能量收集器接入電路的情況下，驗證了微弱能量收集電路的可行性，以及以MSP430F149和nRF24L01為負載，證明了所設(shè)計的電路可以將收集到的微弱能量用來給負載供電。
1 多種微弱能量收集方法
1.1 振動能量
環(huán)境中的振動能無處不在，且收集方便，目前對環(huán)境中振動能量的收集越來越受到人們的關(guān)注。通過壓電材料制作成的振動能量收集器就可以收集環(huán)境中的振動能量[5]。近幾年來基于壓電效應(yīng)發(fā)電的相關(guān)研究越來越多，最為著名的是由麻省理工學院研發(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，通過人行走時腳跟的壓力以及腳的彎曲產(chǎn)生的壓力，通過壓電材料將機械能轉(zhuǎn)化成電能，穿上這種跑鞋人以0.8 Hz的頻率行走時，最高可以產(chǎn)生3 V的電壓，輸出功率最大可以達1.3 mW，壓電跑鞋的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 太陽能
太陽能是目前人類使用最廣泛的能量之一，由于科學技術(shù)的提高，太陽能已經(jīng)逐步走進了我們的生活，例如太陽能熱水器。太陽能利用的是太陽能電池板通過光照后輸出電能，利用太陽能發(fā)電有很多優(yōu)勢，例如它在發(fā)電過程中無污染、無噪聲[6]。而且隨著各國研究者對太陽能電池的深入研究，太陽能電池板對太陽能的轉(zhuǎn)換效率也會不斷提高，生產(chǎn)成本則會不斷降低，太陽能發(fā)電技術(shù)在未來將會成為一項具有廣闊發(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，溫度梯度和熱流無處不在，這為我們從環(huán)境中收集溫差能量提供可能。通過熱電能量轉(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，而熱流則提供了功率[7]。雖然從熱能中提取的功率很低，但是對于無線傳感器這樣的特殊低功率器件，溫差能量收集是切實可行的，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)計的溫差能收集器實現(xiàn)了環(huán)境中溫差能量的收集。
1.4 摩擦能量
2006年美國佐治亞理工學院的王中林教授設(shè)計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[9]，這種發(fā)電機能夠用來將物體間的摩擦能轉(zhuǎn)化為電能。摩擦納米發(fā)電機作為一種能量產(chǎn)生單元，利用摩擦電效應(yīng)，兩個電極性不同的摩擦材料薄層之間會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使得兩種摩擦材料之間產(chǎn)生電勢差，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)電機的結(jié)構(gòu)圖，通過轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，帶動定子轉(zhuǎn)動，使得電極與轉(zhuǎn)盤摩擦，然后產(chǎn)生電能，從而實現(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關(guān)電路，能量存儲裝置采用超級電容或充電電池。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進行整流和穩(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行存儲，在能量收集不足的情況下，給負載備用供電，采用TPL5100定時器電路來定時輸出電能，以達到節(jié)約電能，延長電池工作時間的目標。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是美國凌力爾特公司推出的新型電源管理模塊, 以優(yōu)化對低壓電源的管理。LTC3588-1內(nèi)部電路可以分為4個模塊：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，靜態(tài)工作電流只有950 nA，輸出電流最大可以達到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合。同時，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以內(nèi)，起保護電路的作用。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)電能對鋰離子/鋰聚合物電池充電。LTC4071 提供了可通過ADJ引腳來選擇3種不同的浮置電壓功能，當引腳接地時，浮置電壓為4.0 V；當引腳懸空時，浮置電壓為4.1 V；當引腳接高電平時，浮置電壓為4.2 V，該浮置電壓的準確度達±1%。通過在 NTC 熱敏電阻溫度高于40 ℃時自動降低電池浮置電壓，該器件的集成化電池熱量查驗器延長了電池的使用壽命并改善了可靠性。另外，LTC4071 還提供了通過LBSEL引腳來選擇電池低電量的斷接電平和通過HBO引腳來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 定時器電路
定時器電路的核心是TPL5000定時器芯片。TPL5000是德州儀器推出能顯著降低系統(tǒng)待機功耗的可編程系統(tǒng)定時器。支持看門狗定時器且流耗僅 30 nA。此外，它還可替代微控制器(MCU)的內(nèi)部定時器，由于系統(tǒng)大多數(shù)時間都處于睡眠或斷電模式下，但MCU內(nèi)部定時器的功耗非常大。而TPL5000的流耗遠遠低于MCU定時器，可顯著降低功耗，從而減少60%至80%的總功耗，延長這些系統(tǒng)的工作時間。
TPL5000可編程定時器通過DO、D1、D3引腳來選擇定時器的延遲時間，可選定時延遲在1～64 s之間。當PDOOG引腳為高電平時，定時器開始計時，定時時間到后，WAKE引腳輸出持續(xù)時間為15 ms左右的高電平，高電平的值約等于VCC的值。因此，它能為測量數(shù)據(jù)變動緩慢的無線傳感器節(jié)點間斷供電，可進一步延長傳感器等眾多應(yīng)用的電池使用壽命。定時器電路如圖8所示。
3 實驗測試與結(jié)果
由于環(huán)境中振動無處不在，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)，將機械振動能量轉(zhuǎn)換為電能。懸臂梁式能量收集器結(jié)構(gòu)是最常見的振動能量收集器結(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，自由端上附有一個質(zhì)量塊?；糜诃h(huán)境中，當它受到振動源作用上下振動時，梁的自由端在慣性作用下也將上下運動，懸臂梁將發(fā)生彎曲變形，上下表面的壓電陶瓷一個受拉，一個受壓，壓電陶瓷中產(chǎn)生橫向應(yīng)力，將在壓電層上產(chǎn)生電荷，從而將機械的振動轉(zhuǎn)換為電能。
測試中，用激振器來產(chǎn)生振動，來激勵壓電能量收集器，用于實驗壓電雙晶片的中間層長度為70.25 mm，寬為53.09 mm，厚度為0.2 mm；壓電層長度為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為負載組合成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，進行無線傳輸?shù)膶嶋H測試。測試電路的原理圖如圖10所示。
實驗中，電壓變換電路將能量收集器產(chǎn)生的電壓進行變換，輸出穩(wěn)定直流電壓給負載供電，如果能量收集器產(chǎn)生的電能多，則可以給負載供電的同時，給電池充電，如果收集的能量不夠，則可以由電池來反向供電。如圖11所示，定時器選擇的定時間隔是1 s，每隔一秒，TCAL端產(chǎn)生一個持續(xù)15 ms的高電平，觸發(fā)MSP430F149，讓它從低功耗狀態(tài)進入正常的工作模式，無線傳感器NRF24L01也從待機模式進入發(fā)射狀態(tài)，然后把數(shù)據(jù)通過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)，無線發(fā)射傳感器發(fā)射的距離為10 m以上，整個發(fā)射的過程持續(xù)時間2 ms。整個電路消耗的平均功率為182 μW左右，如果在實際應(yīng)用中，選擇的時間間隔更長，那么電路所消耗的功率將更小。
4 結(jié)論
微弱能量收集實現(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補充，用來延長電池的使用壽命以及解決特殊環(huán)境里的電池更換問題。本文設(shè)計的低功耗微弱能量收集電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境中多種微弱能量的收集。實驗結(jié)果表明, 與傳統(tǒng)的微弱能量收集電路相比,本文設(shè)計的低功耗微弱能量收集電路實現(xiàn)了微弱電能的收集，將電路的功耗降低到了182 μW，驗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、易于實現(xiàn)等特點，因此作為新型能源將具有良好的應(yīng)用前景。
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