0 引言

    環(huán)境中振動(dòng)能量收集越來越受到傳感器領(lǐng)域的關(guān)注,。隨著生產(chǎn)工藝的不斷提升,，小型電子元件的功率不斷降低，使得諸如無線傳感器節(jié)點(diǎn)等低能耗設(shè)備的自供電成為可能,。目前,，利用環(huán)境中的振動(dòng)能量為這些小型電子設(shè)備供電，替代或減少外部電源及充電電池成為了研究熱點(diǎn),。這些振動(dòng)能量來源包括聲波振動(dòng),、機(jī)械振動(dòng)等，其中機(jī)械振動(dòng)能量來源豐富,，足以滿足應(yīng)用需求,，通過壓電式能量收集器可以方便地將其轉(zhuǎn)化為電能。對(duì)壓電能量收集技術(shù)的研究主要分為兩個(gè)部分，即優(yōu)化能量收集器結(jié)構(gòu)和優(yōu)化存儲(chǔ)產(chǎn)生電荷的能量收集電路,。

    壓電能量收集電路一般由全橋整流電路和電容及負(fù)載組成,，但由于電信號(hào)的輸出過小，這些電路都難以為電子元件或傳感器直接供電,。SODANO等^[1-2]研究了不同的壓電能量收集器以及利用電容或充電電池進(jìn)行能量存儲(chǔ)的方法,。OTTMAN等^[3]開發(fā)了一種高效電路，用于存儲(chǔ)電荷以及為負(fù)載供電,。LEFEUVRE等以及BADEL等^[4-5]開發(fā)了一種新型功率流優(yōu)化方法,，用于提高能量轉(zhuǎn)換效率，這種方法基于“電感式同步開關(guān)收集技術(shù)”(SSHI),，雖然相比于標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路,，這種方法提高了能量收集效率，但多數(shù)需要提供外部電源使微處理器產(chǎn)生開關(guān)信號(hào),。

    本文基于懸臂梁式壓電雙晶能量收集器,，設(shè)計(jì)了由三倍壓電路及低功耗電源管理芯片LTC3588-1組成的能量收集電路，研究了低頻振動(dòng)下電路輸出功率,，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可為傳感器等低能耗設(shè)備供電,。

1 壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)及理論模型

1.1 壓電能量收集器的結(jié)構(gòu)

    壓電能量收集器通常為單晶或雙晶壓電片及金屬彈性層構(gòu)成的懸臂梁結(jié)構(gòu)，壓電元件工作在d31模式,。其一端固定在基座上,，通過基座振動(dòng)產(chǎn)生激勵(lì)，壓電層中變化的應(yīng)變產(chǎn)生交變電壓經(jīng)壓電晶體片上的電極輸出,。

    本文中壓電能量收集器采用電極并聯(lián)的壓電雙晶組成,，結(jié)構(gòu)如圖1所示。上下兩片矩形的壓電晶體片粘合在金屬彈性層的兩側(cè)構(gòu)成電能輸出的一極,，上層壓電晶體片的表面與下層壓電晶體片的表面相連構(gòu)成另一極,。

1.2 壓電能量收集器的理論模型

    根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)176（1978），工作在d31模式的壓電元件的壓電方程為：

2 壓電能量收集電路

    能量收集多采用標(biāo)準(zhǔn)電荷捕獲電路,。壓電能量收集器在機(jī)械振動(dòng)作用下產(chǎn)生的交流電信號(hào)需經(jīng)橋式整流,、濾波和DC-DC電壓變換單元后，輸出的電能再由儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存起來^[7-8],。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，本文使用三倍壓電路,，先將電壓升壓,，然后用以LTC3588-1芯片為核心電源管理電路整流和穩(wěn)壓,。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.1 三倍壓電路

    低頻振動(dòng)時(shí),，壓電能量收集器產(chǎn)生電壓較小,，且電源管理芯片工作電壓需要大于2.7 V，故本文設(shè)計(jì)了如圖4的三倍壓電路,，將壓電能量收集器產(chǎn)生的電壓進(jìn)行升壓,。

    電路工作原理為：在正弦電壓源的第一個(gè)正半周時(shí)C1被充電至U，第一個(gè)負(fù)半周時(shí)C2上的電壓被充電到接近2U,；當(dāng)?shù)诙€(gè)正半周時(shí),，D1、D3導(dǎo)通,，D2截止,，C2上的電壓與電源串聯(lián)經(jīng)D3對(duì)C3充電至3U。

    在開始的幾個(gè)周期內(nèi)C3上電壓并不能真正充至3U,，經(jīng)過幾個(gè)周期之后C3上累積的電壓約為3U，從而在負(fù)載兩端得到近似于三倍的電壓^[9],。本文電路輸入端采用低頻振動(dòng)時(shí)壓電能量收集器等效輸出,，電壓峰值為3 V，振動(dòng)頻率為3 Hz,。其輸出波形如圖5所示,。

2.2 電源管理電路

    美國凌力爾特公司推出新型電源管理芯片LTC3588-1，以優(yōu)化對(duì)低壓電源的管理,。LTC3588-1內(nèi)部集成一個(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，通過壓電能量收集器收集環(huán)境中的振動(dòng)能量,，然后將這種能量轉(zhuǎn)換成調(diào)節(jié)好的的電壓輸出,，可以為微控制器、傳感器,、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和無線傳輸組件供電,。

    LTC3588-1的輸入電壓為2.7 V～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。LTC3588-1可對(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,。LTC3588-1有11個(gè)引腳,，當(dāng)D1為高電平,、D0為低電平時(shí)，其輸出電壓為3.3 V,。電源管理電路如圖6所示,。

2.3 能量收集電路

    整體能量收集電路如圖7所示，壓電能量收集器將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能,，通過三倍壓后,，電源管理電路對(duì)電壓進(jìn)行穩(wěn)壓和存儲(chǔ)，然后就可以給低功耗的電子器件供電^[10-11],。

3 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果

    本文采用的壓電材料是PZT-5,，金屬彈性層的材料是黃銅#CW617N，壓電能量收集器實(shí)物如圖8所示,。按壓壓電能量收集器時(shí)的機(jī)械振動(dòng)使壓電能量收集器產(chǎn)生電能,，產(chǎn)生的電壓最大值約為3 V，頻率為3 Hz左右,，圖9是壓電能量收集器產(chǎn)生的電壓波形,。在測試中，用本文設(shè)計(jì)的能量收集電路來收集壓電能量收集器產(chǎn)生的電能,，電路輸出的電壓約為3.3 V,，與電源管理芯片理論輸出電壓基本一致，其輸出波形如圖10所示,。 

    圖11是一個(gè)基于觸摸檢測IC（TTP223B）的電容式點(diǎn)動(dòng)型觸摸開關(guān)模塊,。常態(tài)下，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 s沒有觸摸時(shí)，模式又切換為低功耗模式,，模塊供電電源可為DC 2 V~5.5 V,，其正常工作的功率范圍是0.4 mW~20 mW。

    測試電路如圖12所示,。經(jīng)過一段時(shí)間的充電后,電路輸出的電壓是3.3 V,，用手指觸摸傳感器相應(yīng)的位置時(shí)，模塊上的LED指示燈會(huì)點(diǎn)亮,，說明傳感器正常工作,，此時(shí)模塊輸入端的電流是1.38 mA，功率為4.55 mW,。若傳感器間斷工作,，則可以延長傳感器的工作時(shí)間,。

4 結(jié)論

    壓電能量收集器可實(shí)現(xiàn)將環(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能，解決電池帶來的污染問題以及特殊環(huán)境里的電池更換問題,。本文設(shè)計(jì)的能量收集電路,，在低頻下收集的電能可供功率為4.55 mW的觸摸式傳感器正常工作，實(shí)現(xiàn)了微弱電能的收集,，驗(yàn)證了低功耗器件自供能的可行性,。由于壓電發(fā)電具有節(jié)能、環(huán)保,、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn),，因此作為新型能源將具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] SODANO H A,，INMAN D J,，PARK G.Comparison of piezoelectric energy harvesting devices for recharging batteries[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2005,，16：799-807.

[2] SODANO H A,，INMAN D J，PARK G.Generation and storage of electricity from power harvesting devices[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,，2005,，16：67-75.

[3] OTTMAN G K，HOFMAN H F,，BHATT A C，et al.Adaptive piezoelectric energy harvesting circuit for wireless remote power supply[J].IEEE Transactions on Power Electronics,，2002,，17：669-676.

[4] LEFEUVRE E，BADEL A,，BENAYAD A,，et al.A comparison between several approachs of piezoelectric energy harvesting[J].Joural de Physique IV，2005,，128：177-186.

[5] EFEUVRE E,，BADEL A，RICHARD C,，et al.Piezoelectric energy harvesting device optimization by synchronous electric charge extraction[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,，2005，16：865-876.

[6] Hofmann H F,，0ttman G K,，Lesieutre G A.Optimized piezo electric energy circuit using step-down conyerter in discontinuous conduction mode[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2002,，18(2),，696-703.

[7] 王青萍,，范躍農(nóng)，王騏.壓電能量收集中儲(chǔ)能器件的研究[J].壓電與聲光,，2011,，33(6)：950-953.

[8] 王鑫，郭佳歡,，謝清華.超級(jí)電容器在微電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源,，2009，25(6)：18-22.

[9] 李蜀川,，楊忠孝,，成友才.倍壓整流電路的計(jì)算[J].川北教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2002,，12(1)：51-54.

[10] 劉建濤,，張建成，馬杰.儲(chǔ)能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].電網(wǎng)與清潔能源,，2011,，27(7)：62-66.

[11] 朱莉婭，陳仁文,，雷嫻.壓電振動(dòng)發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國機(jī)械工程,，2011，22(24)：3016-3022.