振動能量收集電源電路設(shè)計

王忠民，張延波，郭林鑫，徐文青（山東省科學院自動化研究所，山東　濟南 250014）

振動能量收集電源電路設(shè)計

王忠民，張延波，郭林鑫，徐文青
（山東省科學院自動化研究所，山東濟南 250014）

利用凌力爾特推出的電源集成芯片LTC3588-2，設(shè)計出適用振動能量收集的高集成度電源電路。根據(jù)壓電材料能量收集器特性，建立了以理想電流源為基礎(chǔ)的電路模型，用于電路仿真。通過調(diào)節(jié)收集器自身的振動頻率，以及使用具備微弱泄漏電流特點的電容，使振動能量到電能的轉(zhuǎn)換效率最大化。測試結(jié)果表明，該電源可以斷續(xù)輸出5 V的穩(wěn)定電壓，為低功耗、短工作時間的無線傳感器設(shè)備供電。

振動；能量采集；電源

0　引言

近些年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用在環(huán)境、安全、過程控制和健康監(jiān)視等領(lǐng)域，改善了資源的利用效率，實現(xiàn)了自然環(huán)境和工程控制的智能化，提高了公共領(lǐng)域的安保水平，深刻影響著人類社會的方方面面。但是，大量的無線傳感器節(jié)點也帶來了一些亟待解決的問題，特別是對能源的需求。而且，在許多應(yīng)用領(lǐng)域，為了降低成本，無線傳感器節(jié)點被設(shè)計為低成本、低維護周期的設(shè)備，這就對傳感器校準、惡劣環(huán)境下的封裝設(shè)計、特別是電源供電提出了更大的挑戰(zhàn)。隨著科技的發(fā)展，雖然電池技術(shù)性能已經(jīng)得到很大改進，但是依然無法跟上無線傳感器對能源需求的增長速度?；谶@個原因，從外部環(huán)境獲取能量給無線傳感器供電成為當前的研究熱點。正在開發(fā)的各種新型環(huán)境能源主要包括太陽能、熱能、振動能和射頻能。振動能量作為自然環(huán)境中普遍存在的一種機械能，受外界條件限制較少，收集利用便捷，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)替代能源的理想選擇［1］。

1　振動能量收集原理

振動能量收集器通常采用壓電材料實現(xiàn)振動能到電能的轉(zhuǎn)換。將振動能量收集器以懸梁臂的結(jié)構(gòu)固定在振動源上，當產(chǎn)生機械振動時，壓電晶體發(fā)生形變，在回路中產(chǎn)生電流，隨著振動方向的變化，電流的方向也跟著改變。因此，可以建立以理想電流源為基礎(chǔ)的電路模型，如圖1所示。它包含一個正弦電流源i（t）、一個內(nèi)部電容Cp和一個內(nèi)部電阻Rp。其中，i（t）=Ipsin（2πft），Ip的大小由振幅決定，f表示振動頻率，Cp和 Rp是與振動頻率沒有關(guān)系的常量，而且Rp的阻值總是非常大。過去的研究表明，壓電材料的輸出電壓（電流）取決于材料的幾何尺寸、壓電特性、機械振動強度和輸出阻抗［2］。

圖1　振動能量收集器等效電路模型

2　振動能量收集優(yōu)化分析

由于振動能量收集器輸出的是交流電壓（電流）信號，所以首先要使用整流電路將其轉(zhuǎn)換為直流電壓，如圖2所示。其中，Cs是存儲電容，用于累積收集的電量，i0（t）表示整流電路輸出電流值，Vs表示整流電路輸出電壓值。

圖2　振動能量收集器的整流電路

由電路分析可知，整流電路的平均輸出電流為：

整流電路的平均收集功率為：

其中，ΔV指整流二極管的正向壓降，得到最大功率輸出的條件為［3］：

此時，Vs稱之為振動能量收集器整流輸出電壓的最優(yōu)值，影響因素包括Ip、f和Cp。而Ip又取決于振動幅度，f代表振動頻率，Cp由壓電材料特性決定，可以認為是一個常量。由此可以推出，振動能量收集器輸出的交流電壓（電流）信號存在一個最優(yōu)值，且由振動幅度、頻率和壓電材料特性決定。所以，振動能量收集器的生產(chǎn)廠商一般會給出特定振動頻率下，收集器輸出功率與工作電壓和振動幅度的關(guān)系曲線。以測試采用的MIDE公司生產(chǎn)的VOLTURE系列振動能量收集器V25W為例，振動頻率為40 Hz時，振動幅度分別為 0.25 g、0.375 g、0.5 g和1.0 g的情況下，使輸出功率最大化的等效開路電壓分別為4 V、7 V、8 V和15 V。

3　振動能量收集電源設(shè)計

圖3　振動能量收集電源原理圖

收集到的電能轉(zhuǎn)換為直流后，還需要經(jīng)過穩(wěn)壓電路才能供負載使用。傳統(tǒng)的方法中，整流電路和穩(wěn)壓電路采用整流二極管、存儲電容、保護二極管和三端穩(wěn)壓器等分立器件組合而成，電路調(diào)試難度大，轉(zhuǎn)換效率低下［4］。凌力爾特公司最近生產(chǎn)出一款專用于振動能量收集的電源芯片 LTC3588-2，內(nèi)部集成了整流橋、穩(wěn)壓及控制電路，由它構(gòu)成的電源電路非常簡單，如圖3所示。其中，PZ1和 PZ2引腳連接振動能量收集器，D0和D1引腳用于選擇輸出電壓值 （3.45 V、4.1 V、 4.5 V、5.0 V可選），此電路選擇為5.0 V輸出，Pgood引腳作為穩(wěn)壓電源“準備好”的提示信號。

電路使用的元器件中，比較關(guān)鍵的是輸入端存儲電容Cs的選擇。在振動能量收集電路中，存儲電容最重要的特點是低泄漏電流，而等效串聯(lián)電阻值并不重要，考慮泄漏電流、充電能力和電氣參數(shù)穩(wěn)定性等指標對電路的影響，TRJ系列鉭電容是振動能量收集的最佳選擇［5］，所以Cs選擇容量為22 μF、耐壓25 V的TRJ鉭電容。

4　測試與結(jié)論

使用振動臺作為振動源模擬環(huán)境振動，選用振動頻率40 Hz、振動幅度1.0 g的MIDE公司的V25W振動能量收集器以懸梁臂的結(jié)構(gòu)固定在振動臺上，并在其末端粘貼約16 g的重物，用于將收集器自身頻率調(diào)節(jié)到40 Hz，以匹配振動源頻率。

振動臺起振后，振動能量收集器輸出的交流電壓非常平滑，符合正弦信號的特征，其峰峰值大約 13 V，非常接近輸出功率最大時的開路電壓，信號周期 25 ms，頻率與振動源頻率一致。

LTC3588-2將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓后給輸入端存儲電容 Cs充電，Cs兩端電壓 Vs慢慢爬升，一旦越過上升沿門限電壓（16 V），芯片打開其內(nèi)部穩(wěn)壓電路，將Cs上的電荷搬移到輸出端存儲電容 C2上，輸出電壓 VO瞬間爬升到 5 V，給負載供電。與此同時，“準備好”信號Pgood置為高電平，提示穩(wěn)壓電源可以使用。當 Vs由于電荷的搬移下降到下降沿門限電壓后，芯片關(guān)閉其內(nèi)部穩(wěn)壓電路，停止搬運 Cs上的電荷，使 Cs兩端的電壓再次慢慢爬升。

測試結(jié)果表明，合理安裝振動能量收集器并連接到開發(fā)的電源電路板，能夠產(chǎn)生斷續(xù)的5 V穩(wěn)定電壓，可以廣泛用于低功耗、短工作時間的無線傳感器設(shè)備上。參考文獻

［1］李金田，文玉梅.壓電式振動能量采集電源管理電路分析［J］.電源技術(shù)，2012，36（4）：606-610.

［2］OTTMAN G K.Adaptive piezoelectric energy harvesting circuit for wireless remote power supply［J］.IEEE Transaction on Power Electronics，2002，17（5）：1781-1783.

［3］FANG H B，LIU J Q.Fabrication and performance of MEMS-basedpiezoelectricpowergeneratorforvibration energy harvesting［J］.Microelectronics Journal，2006，41：1280-1284.

［4］LU C，TSUI C，KI W.A batteryless vibration-based energy harvesting system for ultra low power ubiquitous applications［J］.Circuits and Systems，2007，ISCAS 2007，1（5）：1349-1352.

［5］文玉梅，葉建平，李平，等.一種振動自供能無線傳感器的電源管理電路［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37（11）：84-88.

［6］RADOVAN F，MIROSLAVE J.Storage capacitor properties and their effect on energy harvester performance［R］.AVX，A Kyocera Group Company，2013.

Design of vibration energy harvesting power supply circuit

Wang Zhongmin，Zhang Yanbo，Guo Linxin，Xu Wenqing
（Shandong Academy of Sciences Institute of Automation，Ji′nan 250014，China）

A vibration energy harvesting power supply circuit with integrated chip LTC3588-2 was designed.Circuit model based on ideal current source was established according to the characters of piezoelectric materials and was used to circuit simulation. Conversion efficiency from vibration to electrical energy was maximized by using adjusting frequency of harvester and selecting capacitance with low leakage current.Test results show that the power supply could supply regulated voltage of 5 V for low power and short operation time wireless sensor equipments.

vibration；energy harvesting；power supply

TN712+.5

A

1674-7720（2015）05-0024-02

（2014-10-13）

王忠民（1981-），通信作者，男，碩士，助理研究員，主要研究方向：微弱信號檢測，高速數(shù)字電路，E-mail：lifenet@yeah.net。

張延波（1976-），男，碩士，工程師，主要研究方向：電氣設(shè)備驅(qū)動軟件研發(fā)。

郭林鑫（1987-），男，碩士，助理研究員，主要研究方向：嵌入式硬件設(shè)計。