壓電式無源無線開關的設計

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備工作電源的問題，設計了一種基于壓電效應的無源無線開關裝置。該裝置利用雙晶壓電發電片將手指對按鍵的壓力轉換成電壓信號，采用壓力觸發電源激活工作方式，高效收集外界微弱能量，通過電源管理電路對儲能電容中的能量進行管理，供射頻電路使用，實現自主供電。

關鍵詞：壓電發電；電源管理；自主供電；微功耗

隨著人們的節能減排、低碳環保意識越來越強，綠色智能建筑已成為當今世界建筑發展的重要方向及必然趨勢。無源無線開關是綠色建筑的重要應用之一，這種開關無需連接電源線，也無需安裝電池，一般通過采集周圍環境的機械能、光能/太陽能和溫差能等來獲取能量。

壓電陶瓷材料在耐高沖擊、長壽命和高壓電常數等方面有獨特的優勢[1]。壓電陶瓷作為無源無線開關的壓電電源，可在按壓瞬間產生足夠的能量，將瞬間產生的能量進行有效存儲管理并供射頻電路工作，是壓電式無源無線開關設計的關鍵。

作者所設計的壓電式無源無線開關由三部分組成（如圖1所示）：直流發電電路、能量收集電路和射頻電路。結合壓電陶瓷的產能機理搭建直流輸出電路，選擇匹配儲能電容存儲能量，微功耗電源管理電路對其能量進行管理并為射頻電路供電。

1 直流發電電路

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵疇結構的電疇結構，其極化后根據外電場方向依次排列，外電場撤消后壓電陶瓷內部仍存在有很強的剩余極化強度。當壓電陶瓷受外力作用時，電疇的界限發生移動，因此剩余極化強度將發生變化。壓電陶瓷呈現的壓電效應如圖2所示。雙晶壓電發電片是銅基板的兩面粘結壓電陶瓷片，可作為無源無線開關裝置的換能器，實現自主發電模式。

文中研究的PZT-5H型雙晶圓形壓電發電片采用簡支支撐，把發生振動的波節部分支撐起來，這樣的安裝構造不但簡單穩固，還能最大程度的減小裝置的能量損耗。其中間最大應變量不超過1mm，輸出電壓：0

由于兩側壓電陶瓷極化方向相反，采用并聯的方式將兩側的壓電陶瓷短接作為一個電極，銅基板作為一個電極。壓力撤銷后壓電陶瓷片恢復原狀，電極上又吸附一部分自由電荷而出現一個反向充電現象[2]，即出現反向電壓。為此，對壓電片的輸出電壓進行整流。

2 能量收集電路

2.1 儲能電容的選擇

存儲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；另一方面受充電時間的影響。存儲電容的電容值比壓電片的等效電容大，在充電時間內不足以存儲足夠的能量，儲能電容一般是？滋F級。

儲能電容越大其等效串聯電阻越大，瞬態充電時消耗就越大，所以在允許范圍內選小電容。通過測試，射頻電路消耗的有效能量不超過60？滋J，選擇2個47？滋F電容串聯作為儲能電容，最大電壓4 V，儲能142？滋J，其最大電壓及存儲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

儲能電容不能直接接射頻電路，儲能電容里面的能量需要經過管理，通過檢測儲能電容兩端的電壓，適時開啟或關閉射頻電路與儲能電容之間的供電通道[3]。設定電壓最大值和最小值，當電壓達到最大值時開始為負載供電，當電壓低于最小值時停止供電。

電源管理電路如圖3所示，通過2個電壓檢測芯片U1 HT7027和U2 HT7021對儲能電容兩端電壓進行監測，當電壓上升超過1.8V時，U2 HT7021輸出VL為1，否則輸出為0；當電壓上升超過3.3 V時，U1 HT7027輸出VH為1，否則輸出為0。VH，VL經過由與、或、非門組成的邏輯電路后輸出控制信號C[4]，C控制兩MOS管組成的復合管[5]，適時開啟或關閉射頻電路與儲能電容之間的供電通道[4]。電源管理電路經實際測試，儲能電容兩端電壓為3V時，電路靜態電流為12？滋A左右。

4 結束語

壓電式無源無線開關電路中利用數字電路、COMS方式及選用低功耗元件搭建超低功耗電源管理電路，對收集到的電能實現有效的管理。同時，射頻電路利用低功耗單片機MSP430F1222和CC1101無線模塊極大地降低了整體的功耗。其外圍設備簡單且功耗低，由手指對按鍵的壓力提供電能，無需電池，免去后期維護及對環境的污染。該裝置可實現微型化，且成本低，同時借助物聯網新技術，可使建筑物更加智能、節能。

參考文獻

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

[2]王化祥，張淑英.傳感器原理及應用[M].天津：天津大學出版社，2007.

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

[4]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2002.

[5]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2002.

作者簡介：陳建明（1962-），男，教授，研究方向為傳感器與檢測技術。

郭香靜（1987-），女，碩士，研究方向為檢測與自動化裝置。

趙明明（1988-），男，碩士，研究方向為自動化及嵌入式。