基于壓電能量收集技術(shù)的自供電電源設(shè)計(jì)

陳志敏，榮訓(xùn)，曹廣忠

（深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院深圳電磁控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518060）

基于壓電能量收集技術(shù)的自供電電源設(shè)計(jì)

陳志敏，榮訓(xùn)，曹廣忠

（深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院深圳電磁控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518060）

針對(duì)環(huán)境和工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電問題，提出了一種基于壓電能量收集技術(shù)的自供電電源設(shè)計(jì)方案。利用壓電能量收集器將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，基于LTC3588_1電源管理芯片搭建電壓變換及能量存儲(chǔ)電路，獲得可供傳感器工作的直流電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于壓電能量收集技術(shù)的自供電電源可為低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供電能，具有應(yīng)用前景。

壓電能量收集技術(shù)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；能量收集電路；自供電

微機(jī)電系統(tǒng)和低能耗嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元，通常是帶有傳感器和無線收發(fā)器的微機(jī)系統(tǒng)，可用于測(cè)量環(huán)境中的多種參量，包括溫度、壓力、濕度、日射率以及復(fù)雜的圖像、音頻和視頻等。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用集中在環(huán)境和工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，間隔數(shù)秒或數(shù)小時(shí)的檢測(cè)結(jié)果反映了某一過程或現(xiàn)象的時(shí)間變化規(guī)律。傳感器的節(jié)點(diǎn)分布眾多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般用電池供電，可使用的電量非常有限，并且對(duì)于有成千上萬節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，更換電池非常困難，甚至是不可能的。因此，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的尋找替代化學(xué)電池的自供電電源可以有效解決這些問題。通常，這些節(jié)點(diǎn)具有以下特征［1］：

1）具有較低占空比。

2）休眠狀態(tài)時(shí)具有較低功率（10～300 μW）。

3）工作狀態(tài)（輪詢、發(fā)送、接收）具有較高功率，一般在500 μW到600 μW之間，如果包括無線收發(fā)單元在內(nèi)，最終的功率通常在2 mW到3 mW之間。脈沖持續(xù)時(shí)間短，在500 ms或更低。

鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的這些供能問題及特征，本文提出一種基于壓電能量收集技術(shù)的自供電電源設(shè)計(jì)方案。電源包括壓電能量收集器以及利用LTC3588_1電源管理芯片為核心組成的電壓變換存儲(chǔ)電路，研究了壓電能量收集器在諧振狀態(tài)下，壓電能量收集器的輸出電壓、電流和自供電電源的輸出功率。

1　壓電能量收集器結(jié)構(gòu)及工作原理

壓電材料具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，其中正壓電效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。目前應(yīng)用較多的壓電材料為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。根據(jù)壓電陶瓷材料的正壓電效應(yīng)：當(dāng)壓電陶瓷材料受外力作用時(shí)，由于極化電場(chǎng)的存在，導(dǎo)致上、下兩表面有正、負(fù)電荷產(chǎn)生，反向施加壓力則會(huì)產(chǎn)生相反的電荷，外力撤除，電荷消失。壓電陶瓷的發(fā)電原理正是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能［2_3］。通常，根據(jù)應(yīng)用需求，可以使用壓電陶瓷材料和金屬彈性層組成不同種類的壓電能量收集器，例如，層疊結(jié)構(gòu)，壓電雙晶片結(jié)構(gòu)，膜結(jié)構(gòu)或者螺旋彈簧結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)都由其各自的優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)的局限性。

文中壓電能量收集器采用電極并聯(lián)的壓電雙晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，壓電雙晶片采用PZT_5H壓電陶瓷，金屬彈性層采用#CW617N黃銅材料。

圖1　壓電能量收集器結(jié)構(gòu)圖

懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電能量收集器發(fā)電原理主要基于第一類壓電線性本構(gòu)方程，其邊界條件為機(jī)械自由、電學(xué)短路情況［4］：

式中，S1為機(jī)械應(yīng)變，T1為機(jī)械應(yīng)力，D3為電位移，E3為電場(chǎng)強(qiáng)度。cE11為壓電層在恒電場(chǎng)條件下的彈性剛度常數(shù)，d31為壓電常數(shù)，εT33為介電常數(shù)。

2　自供電電源電路設(shè)計(jì)

自供電電源電路將壓電能量收集器產(chǎn)生的電能進(jìn)行整流降壓，變換后的電能利用存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)供給負(fù)載使用。

2.1傳統(tǒng)的自供電電源電路

基于壓電能量收集技術(shù)的自供電電源電路一般包括整流電路、濾波電路和降壓電路。傳統(tǒng)的自供電電源電路主要包括標(biāo)準(zhǔn)AC_DC收集電路、電荷同步獲取電路和電感同步開關(guān)電路［5］。存儲(chǔ)裝置采用電容或充電電池進(jìn)行能量存儲(chǔ)，然而在多數(shù)情況下，由于電能的輸出過小，電路能耗過大，這些電路都不能為電子元件直接供電。

2.2新型的自供電電源電路

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，本文基于壓電能量收集技術(shù)的新型自供電電源電路采用LTC3588_1電源管理芯片將壓電能量收集器產(chǎn)生的交流電進(jìn)行整流和穩(wěn)壓，然后給傳感器供電。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　壓電能量收集系統(tǒng)框圖

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(duì)低壓電源的管理。LTC3588_1內(nèi)部電路的可以分為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。輸入端整流限壓模塊主要是對(duì)AC_DC交流轉(zhuǎn)直流的處理，同時(shí)對(duì)于轉(zhuǎn)換后的直流電壓進(jìn)行限壓，避免由于電壓過高導(dǎo)致其它模塊的損壞。濾波模塊是去除轉(zhuǎn)換后尚存的直流的毛刺，穩(wěn)壓分為穩(wěn)壓控制模塊以及降壓型DC_DC轉(zhuǎn)換器。整流模塊采用了橋式整流的方式，相比于半波整流，全波整流大幅改善了電能利用率，簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜度。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以內(nèi)，起保護(hù)電路的作用。

LTC3588_1的輸入電壓為2.7～20 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?？蓪?duì)輸入的電壓進(jìn)行整流并通過外部存儲(chǔ)電容器進(jìn)行濾波、存儲(chǔ)，同時(shí)通過內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓、限幅。該芯片有11個(gè)引腳，當(dāng)D1為高電平，D0為高電平時(shí)，其輸出電壓為3.6 V。當(dāng)需要電源輸出電壓大于3 V，壓電能量收集器的輸出電壓要大于4.7 V。電源電路如圖3所示。

圖3　電源管理電路

3　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1壓電能量收集器特征頻率測(cè)定

壓電能量收集器將機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)壓電器件特征頻率和外部激勵(lì)信號(hào)頻率一致時(shí)，能量收集器的輸出功率最大。然而，如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率偏離器件特征頻率5%以上，收集能量迅速減少［6_8］。因此，獲得壓電能量收集器的特征頻率，使得外部激勵(lì)與其產(chǎn)生諧振，可得到最佳輸出功率。本文通過實(shí)驗(yàn)的方法，測(cè)得收集器的開路電壓、短路電流與激勵(lì)頻率的關(guān)系分別如圖5、圖6所示。用于實(shí)驗(yàn)的壓電雙晶懸臂梁幾何及材料參數(shù)如表1、表2所示。

表1　壓電雙晶懸臂梁幾何參數(shù)表

表2　壓電雙晶懸臂梁材料參數(shù)表

3.2電源性能測(cè)試與分析

由圖4，圖5可知，當(dāng)外部激勵(lì)信號(hào)約為17 Hz時(shí)，能量收集器處于最佳工作狀態(tài)。因此，文中激振器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為17 Hz的簡(jiǎn)諧正弦信號(hào)，當(dāng)電源電路負(fù)載為純電阻負(fù)載時(shí)，測(cè)得電源輸出功率如圖6所示。

圖4　能量收集器開路電壓與激振頻率的關(guān)系

圖5　能量收集器短路電流與激振頻率的關(guān)系

圖6　純電阻負(fù)載時(shí)電路輸出功率

由圖6可知，電源的輸出功率最大可以到3.2 mw。如果無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用間斷工作方式，電源能夠在短時(shí)間內(nèi)輸出更大的功率。實(shí)際測(cè)試中，本文采用TTP223B單鍵觸摸式傳感器模塊和F05P無線發(fā)射傳感器模塊，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖7所示。常態(tài)下，TTP223B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(huì)輸出高電平，模式切換為快速模式；當(dāng)持續(xù)12秒沒有觸摸時(shí)，模式又切換為低功耗模式，模塊供電電源為DC2V～5.5 V；F05P是一款低成本、小體積、低功耗的ASK無線發(fā)射模塊，內(nèi)部具有一級(jí)調(diào)制電路及限流電阻，無數(shù)據(jù)時(shí)休眠，并且具有較寬的工作電壓范圍，供電電壓為DC3～12 V，適合短距離的無線數(shù)據(jù)傳輸。文中實(shí)驗(yàn)采用DG1022信號(hào)發(fā)生器為GF20_2功率放大器提供信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)JZQ_5B型激振器振動(dòng)產(chǎn)生外部激勵(lì)。采用DS1042C數(shù)字示波器檢測(cè)電壓波形，無線傳輸實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)平臺(tái)如圖8所示。

圖7　無線傳輸實(shí)驗(yàn)電路原理圖

圖8　觸摸傳感器實(shí)測(cè)平臺(tái)

在實(shí)際測(cè)試中，觸摸傳感器處于工作狀態(tài)時(shí)，data引腳輸出高電平，無線傳感器將觸摸傳感器的信號(hào)發(fā)射出去，由接收模塊接收，來實(shí)現(xiàn)無線傳感器的無線傳輸。觸摸傳感器在待機(jī)狀態(tài)其電流為3～5 μA，工作時(shí)它的電流為0.6～1.4 mA，J05P待機(jī)時(shí)的電流為1 μA左右，工作時(shí)的電流為0.2～0.4 mA。模塊持續(xù)工作時(shí)間大約只有1 s左右。間隔一段時(shí)間后，模塊可以繼續(xù)正常工作。

4　結(jié)束語

本文提出的基于壓電能量收集技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電電源設(shè)計(jì)方案，所設(shè)計(jì)的電源在壓電能量收集器處于諧振狀態(tài)下，純負(fù)載時(shí)的輸出最大功率可達(dá)到3.2mw。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的自供電電源電路相比，利用LTC3588_ 1電源管理芯片搭建的電壓變換及能量存儲(chǔ)電路減少了充電時(shí)間，降低了功耗，且提高了帶負(fù)載能力，實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電，具有應(yīng)用前景。

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Deslgn of a self-PoWered PoWer based on Plezoelectrlc energy harVestlng technology

CHEN Zhi_min，RONG Xun，CAO Guang_zhong
（Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control，College of Mechanics and Control Engineering Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）

In view of the power supp1y prob1em of wire1ess sensor network nodes in environmenta1 and industria1 detection region，a design scheme of a se1f_powered power based on piezoe1ectric energy harvesting techno1ogy was proposed.This Scheme using piezoe1ectric energy harvester to convert mechanica1 vibration into e1ectrica1 energy，based on the LTC3588_1 power management chip to set vo1tage transformation and energy storage circuit，obtained the DC power for sensor's operation.Experimenta1 resu1ts show that the se1f_powered power can provide energy for 1ow_power wire1ess sensor network node，and wi11 have prospects.

piezoe1ectric energy harvesting techno1ogiesjwire1ess sensor network nodesjenergy harvesting circuitjse1f_powered

TN712.5

A

1674_6236（2016）10_0105_03

2015_06_18稿件編號(hào)：201506188

國家自然科學(xué)基金（51275312）；深圳市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金（JCYJ20140418182819160）作者簡(jiǎn)介：陳志敏（1990—），男，湖北武穴人，碩士研究生。研究方向：壓電能量收集技術(shù)。