壓電式無(wú)源無(wú)線開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

陳建明　郭香靜　趙明明

摘 要：為了解決綠色智能建筑中通信設(shè)備工作電源的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于壓電效應(yīng)的無(wú)源無(wú)線開(kāi)關(guān)裝置。該裝置利用雙晶壓電發(fā)電片將手指對(duì)按鍵的壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，采用壓力觸發(fā)電源激活工作方式，高效收集外界微弱能量，通過(guò)電源管理電路對(duì)儲(chǔ)能電容中的能量進(jìn)行管理，供射頻電路使用，實(shí)現(xiàn)自主供電。

關(guān)鍵詞：壓電發(fā)電；電源管理；自主供電；微功耗

隨著人們的節(jié)能減排、低碳環(huán)保意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，綠色智能建筑已成為當(dāng)今世界建筑發(fā)展的重要方向及必然趨勢(shì)。無(wú)源無(wú)線開(kāi)關(guān)是綠色建筑的重要應(yīng)用之一，這種開(kāi)關(guān)無(wú)需連接電源線，也無(wú)需安裝電池，一般通過(guò)采集周圍環(huán)境的機(jī)械能、光能/太陽(yáng)能和溫差能等來(lái)獲取能量。

壓電陶瓷材料在耐高沖擊、長(zhǎng)壽命和高壓電常數(shù)等方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]。壓電陶瓷作為無(wú)源無(wú)線開(kāi)關(guān)的壓電電源，可在按壓瞬間產(chǎn)生足夠的能量，將瞬間產(chǎn)生的能量進(jìn)行有效存儲(chǔ)管理并供射頻電路工作，是壓電式無(wú)源無(wú)線開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

作者所設(shè)計(jì)的壓電式無(wú)源無(wú)線開(kāi)關(guān)由三部分組成（如圖1所示）：直流發(fā)電電路、能量收集電路和射頻電路。結(jié)合壓電陶瓷的產(chǎn)能機(jī)理搭建直流輸出電路，選擇匹配儲(chǔ)能電容存儲(chǔ)能量，微功耗電源管理電路對(duì)其能量進(jìn)行管理并為射頻電路供電。

1 直流發(fā)電電路

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)，其極化后根據(jù)外電場(chǎng)方向依次排列，外電場(chǎng)撤消后壓電陶瓷內(nèi)部仍存在有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)壓電陶瓷受外力作用時(shí)，電疇的界限發(fā)生移動(dòng)，因此剩余極化強(qiáng)度將發(fā)生變化。壓電陶瓷呈現(xiàn)的壓電效應(yīng)如圖2所示。雙晶壓電發(fā)電片是銅基板的兩面粘結(jié)壓電陶瓷片，可作為無(wú)源無(wú)線開(kāi)關(guān)裝置的換能器，實(shí)現(xiàn)自主發(fā)電模式。

文中研究的PZT-5H型雙晶圓形壓電發(fā)電片采用簡(jiǎn)支支撐，把發(fā)生振動(dòng)的波節(jié)部分支撐起來(lái)，這樣的安裝構(gòu)造不但簡(jiǎn)單穩(wěn)固，還能最大程度的減小裝置的能量損耗。其中間最大應(yīng)變量不超過(guò)1mm，輸出電壓：0

由于兩側(cè)壓電陶瓷極化方向相反，采用并聯(lián)的方式將兩側(cè)的壓電陶瓷短接作為一個(gè)電極，銅基板作為一個(gè)電極。壓力撤銷后壓電陶瓷片恢復(fù)原狀，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)一個(gè)反向充電現(xiàn)象[2]，即出現(xiàn)反向電壓。為此，對(duì)壓電片的輸出電壓進(jìn)行整流。

2 能量收集電路

2.1 儲(chǔ)能電容的選擇

存儲(chǔ)電容的大小一方面受低功耗射頻電路正常工作所需能量的制約；另一方面受充電時(shí)間的影響。存儲(chǔ)電容的電容值比壓電片的等效電容大，在充電時(shí)間內(nèi)不足以存儲(chǔ)足夠的能量，儲(chǔ)能電容一般是？滋F級(jí)。

儲(chǔ)能電容越大其等效串聯(lián)電阻越大，瞬態(tài)充電時(shí)消耗就越大，所以在允許范圍內(nèi)選小電容。通過(guò)測(cè)試，射頻電路消耗的有效能量不超過(guò)60？滋J，選擇2個(gè)47？滋F電容串聯(lián)作為儲(chǔ)能電容，最大電壓4 V，儲(chǔ)能142？滋J，其最大電壓及存儲(chǔ)能量都能滿足射頻電路正常工作的要求。

2.2 電源管理電路

儲(chǔ)能電容不能直接接射頻電路，儲(chǔ)能電容里面的能量需要經(jīng)過(guò)管理，通過(guò)檢測(cè)儲(chǔ)能電容兩端的電壓，適時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉射頻電路與儲(chǔ)能電容之間的供電通道[3]。設(shè)定電壓最大值和最小值，當(dāng)電壓達(dá)到最大值時(shí)開(kāi)始為負(fù)載供電，當(dāng)電壓低于最小值時(shí)停止供電。

電源管理電路如圖3所示，通過(guò)2個(gè)電壓檢測(cè)芯片U1 HT7027和U2 HT7021對(duì)儲(chǔ)能電容兩端電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)電壓上升超過(guò)1.8V時(shí)，U2 HT7021輸出VL為1，否則輸出為0；當(dāng)電壓上升超過(guò)3.3 V時(shí)，U1 HT7027輸出VH為1，否則輸出為0。VH，VL經(jīng)過(guò)由與、或、非門組成的邏輯電路后輸出控制信號(hào)C[4]，C控制兩MOS管組成的復(fù)合管[5]，適時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉射頻電路與儲(chǔ)能電容之間的供電通道[4]。電源管理電路經(jīng)實(shí)際測(cè)試，儲(chǔ)能電容兩端電壓為3V時(shí)，電路靜態(tài)電流為12？滋A左右。

4 結(jié)束語(yǔ)

壓電式無(wú)源無(wú)線開(kāi)關(guān)電路中利用數(shù)字電路、COMS方式及選用低功耗元件搭建超低功耗電源管理電路，對(duì)收集到的電能實(shí)現(xiàn)有效的管理。同時(shí)，射頻電路利用低功耗單片機(jī)MSP430F1222和CC1101無(wú)線模塊極大地降低了整體的功耗。其外圍設(shè)備簡(jiǎn)單且功耗低，由手指對(duì)按鍵的壓力提供電能，無(wú)需電池，免去后期維護(hù)及對(duì)環(huán)境的污染。該裝置可實(shí)現(xiàn)微型化，且成本低，同時(shí)借助物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，可使建筑物更加智能、節(jié)能。

參考文獻(xiàn)

[1]沙山克·普里亞（?。?，丹尼爾·茵曼（美）. 能量收集技術(shù)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2011.

[2]王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2007.

[3]陳建明，徐吉，陳立平，等.微功耗系統(tǒng)中微弱能源收集電路的設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2013，37（2）：289-291.

[4]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介：陳建明（1962-），男，教授，研究方向?yàn)閭鞲衅髋c檢測(cè)技術(shù)。

郭香靜（1987-），女，碩士，研究方向?yàn)闄z測(cè)與自動(dòng)化裝置。

趙明明（1988-），男，碩士，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化及嵌入式。