采用振動(dòng)能量技術(shù)的穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

徐文青， 王忠民， 張延波

(山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所， 山東 濟(jì)南 250014)

最近幾年，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等低功耗設(shè)備發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，但是供電問(wèn)題正日益成為其發(fā)展的瓶頸[1].由于受限于安裝環(huán)境和工作條件，無(wú)線終端無(wú)法使用有線電源供電，而電池供電方式又存在壽命有限的明顯缺陷.因此，從自然環(huán)境中得到電能，特別是將普遍存在的機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn).過(guò)去幾年，將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的解決方案尚不完善，利用振動(dòng)能量采集器從機(jī)械振動(dòng)源得到交流電后，往往需要經(jīng)過(guò)由分立器件搭建的整流、升壓和濾波電路后，才能得到負(fù)載需要的供電電壓.這種方法效率低下，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出電壓質(zhì)量差[2].本文使用高集成度能量采集芯片設(shè)計(jì)出一款效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓質(zhì)量高的穩(wěn)壓電源.

1 振動(dòng)能量采集器

近些年，對(duì)于振動(dòng)能量采集器的研究越來(lái)越廣泛，市場(chǎng)上推出的產(chǎn)品越來(lái)越豐富，主要分為壓電式、靜電式和電磁式三種.壓電式振動(dòng)能量采集器采用壓電晶體材料，構(gòu)成多層懸臂結(jié)構(gòu)，最外層起到支撐作用.當(dāng)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的力作用在懸臂結(jié)構(gòu)的晶體上時(shí)，晶體產(chǎn)生變形，然后產(chǎn)生電場(chǎng).機(jī)械振動(dòng)方向的不同，引起電極方向的變化，所以得到的是交流信號(hào).靜電式振動(dòng)能量采集器使用一對(duì)帶電極板，板上的電荷總量保持不變，當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，兩個(gè)板子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，板間電容變化，板上存儲(chǔ)的電荷發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生電場(chǎng).電磁式振動(dòng)能量采集器使用彈簧、振動(dòng)膜片固定可活動(dòng)元件，當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，內(nèi)部的磁鐵和線圈產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，建立電場(chǎng)，類似發(fā)電機(jī)原理[3-5].

振動(dòng)能量采集器在每個(gè)振動(dòng)周期輸出的是電壓相對(duì)較高，但是電流極小的交流電，能夠捕獲的能量非常微弱.所以，要根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境的振動(dòng)頻率和方式，選擇合適的振動(dòng)能量采集器類型，設(shè)計(jì)高效的機(jī)械共振結(jié)構(gòu).振動(dòng)能量采集器被安裝在機(jī)械振動(dòng)源上之前，需要調(diào)節(jié)其自然頻率，與振動(dòng)源頻率匹配，才能最好的發(fā)揮其能量采集功能[6-9].測(cè)量振動(dòng)源特性，最有效的方法是使用加速計(jì)測(cè)量出振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后做FFT運(yùn)算得到相關(guān)的頻率信息，即可得到振動(dòng)源的有效頻率.完成安裝之后，可以通過(guò)示波器測(cè)量采集器的輸出，當(dāng)波形幅度符合能量采集器規(guī)格書給出的數(shù)據(jù)時(shí)表示采集器與振動(dòng)源頻率匹配，轉(zhuǎn)換效率最高.高效的振動(dòng)能量采集器結(jié)構(gòu)與安裝方式，結(jié)合高效的穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)，才能構(gòu)成一個(gè)完整可靠的振動(dòng)能量穩(wěn)壓電源.

2 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

選用LINEAR公司的振動(dòng)能量采集芯片LTC3588-1作為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)的核心器件，其電路原理如圖1所示.能量采集芯片LTC3588-1通過(guò)內(nèi)部的全波橋式整流器將振動(dòng)能量采集器輸出的交流信號(hào)變成直流信號(hào)，然后把電荷存儲(chǔ)在輸入端存儲(chǔ)電容C1上，為內(nèi)部穩(wěn)壓電路提供電量.采集芯片的內(nèi)部橋式整流器損耗很低，當(dāng)振動(dòng)能量采集器電流為10μA時(shí)，整流器壓降只有400mV.當(dāng)輸入端存儲(chǔ)電容的電壓大于上升沿欠壓保護(hù)閾值時(shí)，能量采集芯片開啟內(nèi)部穩(wěn)壓電路，把輸入存儲(chǔ)電容上的電荷轉(zhuǎn)移到輸出端存儲(chǔ)電容C2上；當(dāng)輸入端存儲(chǔ)電容的電壓小于下降沿欠壓保護(hù)閾值時(shí)，能量采集芯片關(guān)閉穩(wěn)壓電路，此時(shí)芯片靜態(tài)電流僅有450nA.內(nèi)部穩(wěn)壓電路通過(guò)VOUT引腳檢測(cè)輸出電壓形成內(nèi)部反饋，使用滯后電壓算法控制輸出電壓大小，通過(guò)電感L1給輸出端存儲(chǔ)電容C2充電，使C2電壓略高于穩(wěn)壓值.當(dāng)輸出電壓達(dá)到穩(wěn)壓輸出條件后，內(nèi)部穩(wěn)壓電路進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)負(fù)載電流由輸出端存儲(chǔ)電容C2提供.當(dāng)輸出電壓小于穩(wěn)壓值，內(nèi)部穩(wěn)壓電路被喚醒進(jìn)入下一個(gè)工作周期.

圖1 振動(dòng)能量穩(wěn)壓電路原理圖

內(nèi)部穩(wěn)壓電路只有在輸入存儲(chǔ)電容已經(jīng)采集足夠多的能量并需要將其傳輸給輸出端存儲(chǔ)電容時(shí)才正常工作，傳輸電量的時(shí)間又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于能量采集的時(shí)間，所以在整個(gè)周期內(nèi)，穩(wěn)壓電路平均靜態(tài)電流非常低.通過(guò)配置輸出電壓選擇位D0、D1可以選擇輸出穩(wěn)壓電壓值VOUT，其對(duì)應(yīng)的輸出靜態(tài)電流IQ見表1.

表1 輸出電壓選擇及靜態(tài)電流

能量采集芯片的Pgood引腳用來(lái)提示輸出電壓已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)壓值，在輸出電壓降低到穩(wěn)壓值的92%之前會(huì)一直保持高電平輸出.一般將其連接到微控制器或者其他芯片的I/O上，用來(lái)判斷電源電壓輸出情況.

在穩(wěn)壓電源電路中，輸入端存儲(chǔ)電容用來(lái)存儲(chǔ)穩(wěn)壓輸出需要的電量，其容值大小要根據(jù)負(fù)載功率及工作時(shí)間來(lái)確定.

VUVLOFALLING≤VIN≤VSHUNT

(1)

式中：PLOAD指負(fù)載消耗功率；tLOAD指負(fù)載工作時(shí)間；η指能量采集芯片穩(wěn)壓電路的平均效率；VIN指能量采集芯片整流后的直流電壓;VUVLOFALLING指能量采集芯片輸入電壓的下降沿欠壓保護(hù)閾值;VSHUNT指能量采集芯片的關(guān)斷電壓.

3 電路仿真

仿真電路選用MIDE公司的VOLTURE系列V20W壓電能量采集器作為振動(dòng)能量采集器，當(dāng)環(huán)境振動(dòng)頻率為95Hz，振動(dòng)幅度的加速度單位為0.5g，V20W自身配重塊重量為7.8g時(shí)，最大輸出功率是1.428mW，短路電流大約100μA.仿真軟件選用Linear公司的LTspice軟件，仿真電路使用圖1所示的穩(wěn)壓電源電路.通過(guò)仿真得出，能量采集芯片整流后的輸入電壓峰值為4.07V，此時(shí)效率為81%.假設(shè)負(fù)載供電電壓1.8V，工作電流1mA，持續(xù)時(shí)間40ms，則輸入端存儲(chǔ)電容選擇為25μF.仿真得到的能量采集芯片輸入電壓、輸出電壓、Pgood引腳電平波形如圖2所示.

圖2 振動(dòng)能量穩(wěn)壓電源仿真波形

圖2中上面類似鋸齒波的波形是能量采集芯片輸入端存儲(chǔ)電容的輸入電壓，從0V開始累積電量，電壓升高，當(dāng)超過(guò)上升沿欠壓保護(hù)閾值4.07V時(shí)，芯片內(nèi)部穩(wěn)壓電路開啟，電源為負(fù)載供電。然后輸入電壓急劇下降，當(dāng)輸入電壓低于下降沿欠壓保護(hù)閾值2.85V時(shí)，芯片內(nèi)部的穩(wěn)壓電路關(guān)閉，電容再次進(jìn)入充電周期。圖2中下面的矩形波是Pgood信號(hào)，當(dāng)Pgood為高電平時(shí)，表示穩(wěn)壓輸出正常，可以給負(fù)載供電；當(dāng)Pgood為低電平時(shí)，表示穩(wěn)壓電路關(guān)閉。下面的另一個(gè)波形是穩(wěn)壓輸出電壓，它的上升沿和Pgood信號(hào)同步置高，但是當(dāng)芯片內(nèi)部穩(wěn)壓電路關(guān)閉、Pgood信號(hào)置低后，由于輸出端存儲(chǔ)電容的存在，輸出電壓會(huì)緩慢下降到0V。電源正常工作時(shí)，每一個(gè)充電和放電周期中，充電時(shí)間2s，穩(wěn)壓輸出時(shí)間40ms.

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的振動(dòng)能量電源設(shè)計(jì)使用橋式二極管、電容、電感等分立器件構(gòu)成整流電路和升降壓電路，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量到電能的轉(zhuǎn)換，其能量轉(zhuǎn)換效率受限于元器件本身和電路的復(fù)雜程度，最高不超過(guò)70%[10]，而且輸出電壓紋波較高，穩(wěn)壓輸出5V時(shí)，紋波電壓1.5V，高達(dá)30%，靜態(tài)電流高于1μA[2,11]。

采用能量采集芯片的振動(dòng)能量穩(wěn)壓電源由振動(dòng)能量采集器和穩(wěn)壓電源電路組成，本質(zhì)上是高效開關(guān)轉(zhuǎn)換電源，轉(zhuǎn)換效率在80%以上[12]。當(dāng)穩(wěn)壓輸出1.8V時(shí)，圖2中的仿真波形說(shuō)明紋波只有10mV，不到1%，波形質(zhì)量高.能量采集芯片靜態(tài)電流僅有450nA，功耗很低，節(jié)省了來(lái)之不易的機(jī)械振動(dòng)能量.采用能量采集芯片的方法集成程度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出電壓穩(wěn)定.與傳統(tǒng)的振動(dòng)能量電源設(shè)計(jì)相比，關(guān)鍵指標(biāo)有顯著改善.

振動(dòng)能量穩(wěn)壓電源具有廣闊的應(yīng)用前景，非常適合用在災(zāi)害預(yù)警、安全監(jiān)測(cè)、環(huán)境采集等領(lǐng)域，為無(wú)線低功耗嵌入式設(shè)備提供必要電能，延長(zhǎng)使用壽命.

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