面向壓電能量收集的傳感器自供電電源設(shè)計(jì)

徐強(qiáng)菊，葛麗莉，宗昌灝，楊雨諾，孫科學(xué),2

(1.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院,江蘇 南京 210023；2. 射頻集成與微組裝技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210023)

0 引言

在過(guò)去的10多年里，各類處理、通信、存儲(chǔ)技術(shù)迅速發(fā)展，隨之發(fā)展的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已深入生活各方面，在工業(yè)中也得到廣泛應(yīng)用。其可靠性高，成本低，覆蓋面廣，功耗極低。而電源技術(shù)發(fā)展較慢，能量密度上無(wú)明顯提高。傳統(tǒng)上，各類無(wú)線傳感器一直采用電池供電的方式測(cè)量并發(fā)送無(wú)線數(shù)據(jù)[1-2]。這種供電方式工作可靠，難度低，但維護(hù)成本(如更換電池費(fèi)用)高，尤其是大部分傳感器節(jié)點(diǎn)電池代價(jià)高，部分甚至不能更換。另外，采用太陽(yáng)能等作為自供電能量來(lái)源，必須是在有光的環(huán)境下。劉創(chuàng)等[3]提出了移動(dòng)充電的解決方案，但這要求傳感器節(jié)點(diǎn)具備無(wú)線充電能力。還有一些特殊場(chǎng)合不允許搭載或進(jìn)入外部供電設(shè)備。因此，能夠適應(yīng)諸多應(yīng)用場(chǎng)景的微弱能量收集技術(shù),已成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展的前提[4-6]。

本文介紹了基于壓電效應(yīng)的振動(dòng)能量收集技術(shù)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)圍繞LTC3588-1電源管理芯片的能量收集電路。

1 懸臂梁式壓電換能器理論模型及工作方程

1.1 懸臂梁式壓電換能器理論模型

通常壓電能量收集器為單層或雙層壓電陶瓷片構(gòu)成的懸臂梁結(jié)構(gòu)[7]，即壓電單晶片或壓電雙晶片，作為收集器的懸臂梁固定在振動(dòng)的宿主結(jié)構(gòu)上，壓電層中變化的應(yīng)變產(chǎn)生交變電壓并通過(guò)陶瓷上的電極輸出。本文選取壓電單晶片作為激勵(lì)源，如圖1所示，其中，M為重物質(zhì)量，R1為負(fù)載，u(t)為輸出電壓。末端固定一重物作為振子降低諧振頻率[8]，以適應(yīng)低頻工作環(huán)境；固定基座，當(dāng)振子振動(dòng)時(shí)，壓電材料產(chǎn)生形變，從而在壓電層上、下表面產(chǎn)生電位差，當(dāng)振子做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將在負(fù)載Rl上產(chǎn)生一個(gè)近似正弦波的連續(xù)電壓。

圖1 壓電能量收集器結(jié)構(gòu)

1.2 壓電換能器工作方程

表征壓電層在厚度方向的耦合輸出方程及電位移表達(dá)式[9]為

2 電源管理電路

為了將壓電換能器輸出的交流電轉(zhuǎn)化為可供傳感器工作的穩(wěn)定電壓，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)電源管理電路。目前，國(guó)內(nèi)外的解決方案主要有基于傳統(tǒng)分立電路能量收集技術(shù)、采用芯片的能量收集技術(shù)及采用高度集成電路的能量收集技術(shù)[10]3種。

傳統(tǒng)的分立電路主要由整流電路、DC/DC變換電路及微控制器組成，制作成本低，但這種類型的分立電路的電路功耗大，電壓門限高，不適合對(duì)低輸出的壓電陶瓷(PZT)換能器進(jìn)行處理。Li Yani等[11]設(shè)計(jì)的分立電路將功耗降至1.42 μW，但電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。采用高度集成電路效率高[12-13]，可適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景，但制作成本高。本文采用易設(shè)計(jì)、功耗較低的基于電源管理芯片的能量收集電路。

2.1 LTC3588-1電源管理芯片

LTC3588-1支持2.7～20 V的輸入，其在內(nèi)部集成了一個(gè)低損耗全波橋式整流器和一個(gè)降壓型穩(wěn)壓器，可直接連接至一個(gè)壓電電源，經(jīng)整流和降壓后給出一個(gè)穩(wěn)定的輸出，可為傳感器、微控制器等供電。另外，芯片可通過(guò)配置G0、G1引腳提供4種不同的輸出(1.8 V，2.5 V，3.3 V，3.6 V)，如表1所示。表中，0代表對(duì)應(yīng)引腳接地，1代表對(duì)應(yīng)引腳接至輸入端VIN。電路如圖2所示。以LTC3588芯片為核心，PZ1，PZ2雙端或VIN單端為輸入端，C7為輸出端儲(chǔ)能電容，VCC為電壓輸出端。

表1 輸出電壓選擇

圖2 電源管理電路

2.2 倍壓電路

由于在低頻低應(yīng)力振動(dòng)下，壓電換能器輸出較小，而LTC3588-1電源管理芯片的輸入要求最低為2.7 V，故設(shè)計(jì)一個(gè)四倍壓電路。將壓電換能器的輸出進(jìn)行倍壓后，再送入電源管理電路，倍壓電路如圖3所示。

圖3 四倍壓電路

在Vpzt正弦波的第一個(gè)半周，二極管D1導(dǎo)通，D2截止，電流經(jīng)過(guò)D1對(duì)電容C1充電至峰值Vpzt;第二個(gè)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，D1截止，此時(shí)，C1上的電壓與Vpzt串聯(lián)疊加，經(jīng)過(guò)D2對(duì)電容C2充電，此時(shí)，充電電壓為Vpzt+Vpzt=2Vpzt，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，C2上的電壓基本為2Vpzt;第三個(gè)半周，二極管D1和D3導(dǎo)通，D2截止，電流除經(jīng)過(guò)D1對(duì)C1充電外，又經(jīng)過(guò)D3對(duì)C3充電，C3上的充電電壓為Vpzt+Vc2-Vc1=2Vpzt；第四個(gè)半周，二極管D2和D4導(dǎo)通，D1和D3截止，電流除經(jīng)過(guò)D2對(duì)C2充電外，又經(jīng)D4對(duì)C4充電，C4上的充電電壓為Vpzt+Vc1+Vc3-Vc2=2Vpzt，此時(shí)，電路的輸出電壓Vout=Vc2+Vc4=4Vpzt。

圖4為四倍壓電路波形。事實(shí)上，由于壓電激勵(lì)源的不穩(wěn)定性，在前幾個(gè)周期內(nèi)，Vout并不能很快達(dá)到4Vpzt，在經(jīng)歷了10個(gè)或更多個(gè)周期后，輸出電壓才會(huì)達(dá)到預(yù)定值4Vpzt。設(shè)計(jì)電路輸入端為壓電換能器低頻工作條件下的等效輸出，頻率為3.3 Hz，電壓峰值為3 V，最終輸出約為11 V。

圖4 四倍壓電路波形圖

2.3 整體電路

圖5為整體電路。壓電換能器將收集到的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，輸出一正弦波，經(jīng)四倍壓電路后，送入LTC3588-1電源管理電路，最終輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓，為低功耗傳感器件供電。

圖5 能量收集電路圖

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

這里選取ZM-PZT-65×37×0.4型號(hào)的壓電發(fā)電片，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，壓電換能器實(shí)物如圖6所示，通過(guò)絕緣薄層隔離壓電換能器與基座夾持端，另一端加以重物作為振子適應(yīng)低頻工作環(huán)境。通過(guò)人體載荷按壓壓電換能器產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，并通過(guò)壓電換能器得到換能器輸出波形，實(shí)測(cè)為振幅接近5 V、頻率約3.3 Hz的正弦波。將此輸出接入所設(shè)計(jì)的電源管理電路后，得到3個(gè)分別近似1.8 V、2.5 V、3.3 V的輸出波形。

圖6 壓電換能器

實(shí)驗(yàn)中，將輸出的1.8 V、2.5 V或3.3 V電壓作為電源提供給MSP430單片機(jī)，通過(guò)一個(gè)按鍵控制單片機(jī)切換G0、G1口的0、1狀態(tài)，從而切換輸出電壓。

實(shí)驗(yàn)表明，壓電能量收集裝置可使處于低功耗LM3模式下的MSP430單片機(jī)正常工作，且每隔6 s控制LED燈亮1 s。

實(shí)測(cè)中，在低功耗模式下，LED燈亮?xí)r，MSP430的功耗最大值為6.6 mW，對(duì)模塊輸入端口測(cè)試如表2所示。由表可看出，在間斷工作的場(chǎng)景下，負(fù)載依然可正常工作。

表2 MSP430輸入端測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

壓電能量收集技術(shù)能夠收集環(huán)境中的低頻能量,并將其轉(zhuǎn)化為電能供低功耗傳感器件使用。本文設(shè)計(jì)了可切換電源電壓值的能量收集電路，實(shí)測(cè)表明，其收集的能量可供一塊低功耗MSP430單片機(jī)正常工作。隨著物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的全面展開(kāi)，可以預(yù)見(jiàn)該技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。以后工作可考慮增加能量存儲(chǔ)電路，以提高電路的瞬時(shí)功率輸出能力。