壓電能量收集系統(tǒng)及其應(yīng)用研究

夏奧++++孫勇智

摘 要：隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)使用越來越廣泛。本文簡(jiǎn)要介紹了采用壓電陶瓷片作為能量來源，提出一種基于高效的微弱能量收集芯片LTC-3588的能量收集方案；通過對(duì)比試驗(yàn)，針對(duì)CC2541低功耗藍(lán)牙模塊，設(shè)計(jì)出能量存儲(chǔ)方案，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的“無(wú)源”供電。

關(guān)鍵詞：壓電發(fā)電；能量收集；LTC-3588；電容器；低功耗；藍(lán)牙

0 引言

隨著無(wú)線通訊與微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的不斷發(fā)展，使得分布式微電子設(shè)備、微傳感器等等微型機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，這些應(yīng)用包括為健康監(jiān)測(cè)的分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、大型系統(tǒng)的電池監(jiān)測(cè)、汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。在很多情況下，這些系統(tǒng)不能使用電纜或電線供電，電池（鎳氫電池、鋰聚合物電池）供電也受到很多限制，甚至是不可使用。其中原因有：（1）電池的使用增加了系統(tǒng)的體積，限制了系統(tǒng)的進(jìn)一步微型化；（2）二是供能壽命有限，使用一段時(shí)間后需要更換電池或者充電；（3）一些場(chǎng)合如易燃易爆等危險(xiǎn)情況下的更換問題難以解決；（4）電池本身還包含對(duì)身體或環(huán)境有害的鉛、鎘、汞等多種物質(zhì)。因此，人們開始研究各種能量收集技術(shù)，作為電池的替代品，某些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域替代電池或自動(dòng)為電池充電。用于微功率電子產(chǎn)品供電的各種能量收集技術(shù)的研究已成為國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

1 壓電陶瓷發(fā)電

壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。所謂正壓電效應(yīng)是指晶體由于機(jī)械應(yīng)力的作用而使其介質(zhì)化，并使其表面荷電的效應(yīng)。反之，當(dāng)外加電場(chǎng)于晶體時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生形變，這邊稱之為逆壓電效應(yīng)。壓電發(fā)電是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑸榫W(wǎng)絡(luò)傳感器等微機(jī)電系統(tǒng)供。

壓電發(fā)電有很多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、不發(fā)熱、易于加工制作易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微型化、集成化等。這些特點(diǎn)決定了壓電發(fā)電特別適用于為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、傳感器和微電子設(shè)備供能。

壓電陶瓷具有壓電性，即某些各向異性的晶體，在機(jī)械力作用下，產(chǎn)生形變，使帶電粒子發(fā)生相對(duì)位移，從而在晶體表面出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷將其所產(chǎn)生的電荷用電容器或微電池等儲(chǔ)存起來，然后通過設(shè)計(jì)的控制電路，可輸出穩(wěn)定的電流或電。本系統(tǒng)采用壓電陶瓷作為能量源，提出了一種壓電能量收集裝置。

2 LTC-3588能量收集電路

目前關(guān)于壓電能量收集電路設(shè)計(jì)中，采用的方案大多都是電荷捕捉電路，交流信號(hào)經(jīng)過整流、濾波、調(diào)壓和穩(wěn)壓后進(jìn)行儲(chǔ)存，但這樣的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，而且在線路中的能量損耗較高，可攝取的有效能量很。

本設(shè)計(jì)采用凌力爾特的微弱能量收集芯片LTC-3588。LTC-3588集成一個(gè)低損耗、全波橋式整流器和一個(gè)高效率降壓型轉(zhuǎn)換器，通過壓電傳感器收集環(huán)境中的振動(dòng)能量，然后將這種能量轉(zhuǎn)換成良好的調(diào)節(jié)輸出。LTC-3588輸入電壓為2.7～20V，通過數(shù)字位D0、D1可設(shè)定輸出電壓1.8V、2.5V、3.3V、3.6V，對(duì)應(yīng)的靜態(tài)輸出電流僅有44nA、62nA、81nA、89nA。

通過對(duì)陶瓷壓電片的不斷按壓，壓電片產(chǎn)生的能量通過LTC-3588的PZ1、PZ2引腳輸入，經(jīng)過四個(gè)超低壓降的二極管整流橋整流，再通過電容器將電荷存貯在電容器上，一旦電容器上充電電壓達(dá)到低電壓欠流檢測(cè)（UVLO）上限時(shí)，LTC-3588的降壓控制器（Buck Control）打開MOS管，將電容器上的電荷轉(zhuǎn)移到輸出電容上，當(dāng)?shù)陀谏舷拗禃r(shí)，然后關(guān)閉；如此往復(fù)，陶瓷壓電片產(chǎn)生的的微弱的能量收集到電容器上存儲(chǔ)起來。LTC-3588內(nèi)部電路如圖1所示。

在使用LTC-3588作為壓電能量收集使用時(shí)，輸入存儲(chǔ)電容和輸出存儲(chǔ)電容的選取十分重要，當(dāng)VIN端的存儲(chǔ)電容選取過小，此時(shí)經(jīng)過整流橋之后的VIN電壓將迅速升高至高于UVLO，BUCK打開MOS管將能量傳送到輸出端，由于存儲(chǔ)的能量很小，不足以提供負(fù)載工作。當(dāng)VIN端的存儲(chǔ)電容選取較大，電壓上升時(shí)間過長(zhǎng)，VIN端的電壓將經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間才能達(dá)到設(shè)定值。關(guān)于輸出端存儲(chǔ)電容器選擇，也不能過大或者過小，過大則上升時(shí)間過長(zhǎng)過小則負(fù)載無(wú)法工作。LTC-3588能量收集電路如圖2所示。

3 壓電能量收集應(yīng)用實(shí)例

本文在基于LTC-3588壓電能量收集電路的基礎(chǔ)上，采用低功耗藍(lán)牙芯片CC2541作為無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3.1 陶瓷壓電片

本系統(tǒng)采用的壓電片為陶瓷壓電片?；馁|(zhì)為黃銅#CW617N，壓電陶瓷材質(zhì)為P8-1，輸出電壓為0～48V，輸出電流1～100μA，諧振阻抗小于100oHm，尺寸為40mm×30mm壓電陶瓷片的形變?cè)酱?，輸出的能量越多，整流后的電壓越高，可采集的能量越多，電容器可存?chǔ)的能量也越多，給無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電的性能也越好。陶瓷壓電片按壓發(fā)電如圖4示。

3.2 LTC-3588能量收集

LTC-3588能量收集電路輸入端濾波儲(chǔ)能電容選用100uF/6V，輸出端存儲(chǔ)電容選用330uF/6V，設(shè)定輸出電壓為3.3V；通過對(duì)壓電片的不間斷的按壓，儲(chǔ)能電容兩端存儲(chǔ)的電荷越來越多，當(dāng)電壓高于UVLO時(shí)，給輸出電容充電，輸出端一點(diǎn)點(diǎn)增加到設(shè)定值3.3V，電容收集電路在60μ90s內(nèi)能將電容充滿電。充電過程如圖5所示，CH1通道為輸入端存儲(chǔ)電容端電壓，CH2為輸出端存儲(chǔ)電容端電壓。

3.3 CC2541藍(lán)牙模塊

CC2541是TI公司推出的一款基于C51內(nèi)核的超低功耗的藍(lán)牙芯片，使用3.3V供電，在工作模式下最低只需要8mA的電流，休眠模式下僅需要0.5μA。由于藍(lán)牙模塊廣播時(shí)最低需要8mA的電流，實(shí)驗(yàn)過程藍(lán)牙模塊最大廣播時(shí)間設(shè)置為10s，一旦連接上，每五分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)是消耗電流為8mA，其余時(shí)間為待機(jī)狀態(tài)，待機(jī)消耗電流為1～10μA。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了壓電能量收集方案及其應(yīng)用實(shí)例，主要針對(duì)壓電陶瓷片的震動(dòng)或按壓方式進(jìn)行壓力發(fā)電，將產(chǎn)生的微弱能量通過能量收集電路收集存儲(chǔ)起來，作為電源給無(wú)線節(jié)點(diǎn)或其他低功耗設(shè)備供電。能量收集采用LTC-3588微弱能量收集芯片進(jìn)行收集存儲(chǔ)，能夠有效的降低整流電路的損耗并提高效率，可設(shè)定輸出電壓；無(wú)線模塊采用低功耗CC2541藍(lán)牙芯片，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的無(wú)線通信功能。本文最大的優(yōu)點(diǎn)就是為無(wú)線節(jié)點(diǎn)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)了能量的的自給自足，不在需要外部電源或者電池供電，解決了目前無(wú)線終端或其他設(shè)備經(jīng)常需要更換電池或者定期充電的困擾。