摘  要： 利用凌力爾特推出的電源集成芯片LTC3588-2,，設(shè)計(jì)出適用振動(dòng)能量收集的高集成度電源電路。根據(jù)壓電材料能量收集器特性,，建立了以理想電流源為基礎(chǔ)的電路模型,，用于電路仿真。通過(guò)調(diào)節(jié)收集器自身的振動(dòng)頻率,，以及使用具備微弱泄漏電流特點(diǎn)的電容,，使振動(dòng)能量到電能的轉(zhuǎn)換效率最大化。測(cè)試結(jié)果表明,，該電源可以斷續(xù)輸出5 V的穩(wěn)定電壓，為低功耗、短工作時(shí)間的無(wú)線傳感器設(shè)備供電,。

　　關(guān)鍵詞： 振動(dòng),；能量采集；電源

0 引言

　　近些年,，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速,，被廣泛應(yīng)用在環(huán)境、安全,、過(guò)程控制和健康監(jiān)視等領(lǐng)域,，改善了資源的利用效率，實(shí)現(xiàn)了自然環(huán)境和工程控制的智能化,，提高了公共領(lǐng)域的安保水平,，深刻影響著人類(lèi)社會(huì)的方方面面。但是,，大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)也帶來(lái)了一些亟待解決的問(wèn)題,，特別是對(duì)能源的需求。而且,，在許多應(yīng)用領(lǐng)域,，為了降低成本，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)被設(shè)計(jì)為低成本,、低維護(hù)周期的設(shè)備,，這就對(duì)傳感器校準(zhǔn)、惡劣環(huán)境下的封裝設(shè)計(jì),、特別是電源供電提出了更大的挑戰(zhàn),。隨著科技的發(fā)展，雖然電池技術(shù)性能已經(jīng)得到很大改進(jìn),，但是依然無(wú)法跟上無(wú)線傳感器對(duì)能源需求的增長(zhǎng)速度,。基于這個(gè)原因,，從外部環(huán)境獲取能量給無(wú)線傳感器供電成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn),。正在開(kāi)發(fā)的各種新型環(huán)境能源主要包括太陽(yáng)能、熱能,、振動(dòng)能和射頻能,。振動(dòng)能量作為自然環(huán)境中普遍存在的一種機(jī)械能，受外界條件限制較少,，收集利用便捷,，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)替代能源的理想選擇[1]。

1 振動(dòng)能量收集原理

　　振動(dòng)能量收集器通常采用壓電材料實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)換,。將振動(dòng)能量收集器以懸梁臂的結(jié)構(gòu)固定在振動(dòng)源上,，當(dāng)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)時(shí),，壓電晶體發(fā)生形變，在回路中產(chǎn)生電流,，隨著振動(dòng)方向的變化,，電流的方向也跟著改變。因此,，可以建立以理想電流源為基礎(chǔ)的電路模型,，如圖1所示。它包含一個(gè)正弦電流源i（t）,、一個(gè)內(nèi)部電容Cp和一個(gè)內(nèi)部電阻Rp,。其中，i（t）=Ipsin（2πft）,，Ip的大小由振幅決定,，f表示振動(dòng)頻率，Cp和Rp是與振動(dòng)頻率沒(méi)有關(guān)系的常量,，而且Rp的阻值總是非常大,。過(guò)去的研究表明，壓電材料的輸出電壓（電流）取決于材料的幾何尺寸,、壓電特性,、機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)度和輸出阻抗[2]。

2 振動(dòng)能量收集優(yōu)化分析

　　由于振動(dòng)能量收集器輸出的是交流電壓（電流）信號(hào),，所以首先要使用整流電路將其轉(zhuǎn)換為直流電壓,，如圖2所示。其中,，Cs是存儲(chǔ)電容,，用于累積收集的電量，i0（t）表示整流電路輸出電流值,，Vs表示整流電路輸出電壓值

　　由電路分析可知,，整流電路的平均輸出電流為：

　　此時(shí)，Vs稱(chēng)之為振動(dòng)能量收集器整流輸出電壓的最優(yōu)值,，影響因素包括Ip,、f和Cp。而Ip又取決于振動(dòng)幅度,，f代表振動(dòng)頻率,，Cp由壓電材料特性決定，可以認(rèn)為是一個(gè)常量,。由此可以推出,，振動(dòng)能量收集器輸出的交流電壓（電流）信號(hào)存在一個(gè)最優(yōu)值，且由振動(dòng)幅度,、頻率和壓電材料特性決定,。所以,，振動(dòng)能量收集器的生產(chǎn)廠商一般會(huì)給出特定振動(dòng)頻率下，收集器輸出功率與工作電壓和振動(dòng)幅度的關(guān)系曲線,。以測(cè)試采用的MIDE公司生產(chǎn)的VOLTURE系列振動(dòng)能量收集器V25W為例,，振動(dòng)頻率為40 Hz時(shí)，振動(dòng)幅度分別為0.25 g,、0.375 g、0.5 g和1.0 g的情況下,，使輸出功率最大化的等效開(kāi)路電壓分別為4 V,、7 V、8 V和15 V,。

3 振動(dòng)能量收集電源設(shè)計(jì)

　　收集到的電能轉(zhuǎn)換為直流后,，還需要經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路才能供負(fù)載使用。傳統(tǒng)的方法中,，整流電路和穩(wěn)壓電路采用整流二極管,、存儲(chǔ)電容、保護(hù)二極管和三端穩(wěn)壓器等分立器件組合而成,，電路調(diào)試難度大,，轉(zhuǎn)換效率低下[4]。凌力爾特公司最近生產(chǎn)出一款專(zhuān)用于振動(dòng)能量收集的電源芯片LTC3588-2,，內(nèi)部集成了整流橋,、穩(wěn)壓及控制電路，由它構(gòu)成的電源電路非常簡(jiǎn)單,，如圖3所示,。其中，PZ1和PZ2引腳連接振動(dòng)能量收集器,，D0和D1引腳用于選擇輸出電壓值（3.45 V,、4.1 V、 4.5 V,、5.0 V可選）,，此電路選擇為5.0 V輸出，Pgood引腳作為穩(wěn)壓電源“準(zhǔn)備好”的提示信號(hào),。

　　電路使用的元器件中,，比較關(guān)鍵的是輸入端存儲(chǔ)電容Cs的選擇。在振動(dòng)能量收集電路中,，存儲(chǔ)電容最重要的特點(diǎn)是低泄漏電流,，而等效串聯(lián)電阻值并不重要，考慮泄漏電流,、充電能力和電氣參數(shù)穩(wěn)定性等指標(biāo)對(duì)電路的影響,，TRJ系列鉭電容是振動(dòng)能量收集的最佳選擇[5],，所以Cs選擇容量為22 ?滋F、耐壓25 V的TRJ鉭電容,。

4 測(cè)試與結(jié)論

　　使用振動(dòng)臺(tái)作為振動(dòng)源模擬環(huán)境振動(dòng),，選用振動(dòng)頻率40 Hz、振動(dòng)幅度1.0 g的MIDE公司的V25W振動(dòng)能量收集器以懸梁臂的結(jié)構(gòu)固定在振動(dòng)臺(tái)上,，并在其末端粘貼約16 g的重物,，用于將收集器自身頻率調(diào)節(jié)到40 Hz，以匹配振動(dòng)源頻率,。

　　振動(dòng)臺(tái)起振后,，振動(dòng)能量收集器輸出的交流電壓非常平滑，符合正弦信號(hào)的特征,，其峰峰值大約13 V,，非常接近輸出功率最大時(shí)的開(kāi)路電壓，信號(hào)周期25 ms,，頻率與振動(dòng)源頻率一致,。

　　LTC3588-2將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓后給輸入端存儲(chǔ)電容Cs充電，Cs兩端電壓Vs慢慢爬升,，一旦越過(guò)上升沿門(mén)限電壓（16 V）,，芯片打開(kāi)其內(nèi)部穩(wěn)壓電路，將Cs上的電荷搬移到輸出端存儲(chǔ)電容C2上,，輸出電壓VO瞬間爬升到5 V,，給負(fù)載供電。與此同時(shí),，“準(zhǔn)備好”信號(hào)Pgood置為高電平,，提示穩(wěn)壓電源可以使用。當(dāng)Vs由于電荷的搬移下降到下降沿門(mén)限電壓后,，芯片關(guān)閉其內(nèi)部穩(wěn)壓電路,，停止搬運(yùn)Cs上的電荷，使Cs兩端的電壓再次慢慢爬升,。

　　測(cè)試結(jié)果表明,，合理安裝振動(dòng)能量收集器并連接到開(kāi)發(fā)的電源電路板，能夠產(chǎn)生斷續(xù)的5 V穩(wěn)定電壓,，可以廣泛用于低功耗,、短工作時(shí)間的無(wú)線傳感器設(shè)備上。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 李金田,，文玉梅.壓電式振動(dòng)能量采集電源管理電路分析[J].電源技術(shù),，2012，36（4）：606-610.

　　[2] OTTMAN G K. Adaptive piezoelectric energy harvesting circuit for wireless remote power supply[J]. IEEE Transaction on Power Electronics,，2002,，17（5）：1781-1783.

　　[3] FANG H B,， LIU J Q. Fabrication and performance of MEMS-based piezoelectric power generator for vibration energy harvesting[J]. Microelectronics Journal， 2006,，41： 1280-1284.

　　[4] LU C,， TSUI C， KI W. A batteryless vibration-based energy harvesting system for ultra low power ubiquitous applications[J]. Circuits and Systems,， 2007,， ISCAS 2007，1（5）：1349-1352.

　　[5] 文玉梅,，葉建平,，李平，等.一種振動(dòng)自供能無(wú)線傳感器的電源管理電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2011，37（11）：84-88.

　　[6] RADOVAN F,， MIROSLAVE J. Storage capacitor properties and their effect on energy harvester performance[R]. AVX,， A Kyocera Group Company， 2013.