基于PVDF的壓電能收集電路的設計

張也

摘 要：針對環(huán)境中壓電振動能的收集問題，該文提出基于PVDF（壓電薄膜）的壓電能收集電路的設計。首先，需要對PVDF壓電傳感器的具體工作原理進行研究，制作一種可以將PVDF中壓電能提煉出來的傳感器；其次，將采集到的振動電壓信號，通過AC-DC、DC-DC轉換電路進行整流、濾波、升壓；最后，通過充電電路給鋰電池進行充電，將不易收集利用的壓電能改變成穩(wěn)定的電能存儲在鋰電池中，實現(xiàn)壓電能的合理收集和利用。

關鍵詞：PVDF 傳感器 壓電能 收集電路

中圖分類號：TM910 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0030-03

PVDF是一種新型的高分子材料，由于其具有壓電常數大，頻響寬，機械強度好，耐沖擊，質輕，柔韌，聲阻抗易匹配，易加工成大面積，不易受水和一般化學品的污染、價格便宜等優(yōu)點。在力學領域、聲學領域、光學領域、電子領域、測量領域、紅外領域、安全報警領域、醫(yī)療保健領域、軍事領域、交通領域以及信息工程領域的應用非常廣泛[1]。

隨著PVDF的廣泛應用，在從環(huán)境中如何收集壓電能極具研究價值。該文主要對PVDF傳感器的工作原理進行研究，針對換種中壓電振動能的收集問題，從應用角度出發(fā)，對硬件電路進行研究，其中包括AC-DC、DC-DC和充電電路等收集電路進行設計研究[2-3]。

1 PVDF的工作原理及制作

該文采用的PVDF壓電薄膜，其具有3層結構薄膜，如圖1所示。在兩個表面已經覆了很薄的鋁電極。由于PVDF壓電薄膜的使用溫度范圍為-40 ℃～80 ℃，因此，在焊接的過程中應特別注意溫度的變化，如果溫度大于80 ℃，則PVDF壓電薄膜會達到其居里溫度，進而帶來晶體結構變化，從根本上造成壓電性變化甚至是消失。所以，不可以采用常規(guī)形式的焊接方式引出PVDF壓電薄膜電極。在實際實驗操作期間，需借助導電銀膠方法引出導線電極[4]。

在實驗的過程中，利用PVDF壓電薄膜制作壓電傳感器的核心元件，其主要過程分為形狀確定、薄膜切割、電極引出和加保護層。根據實驗要求確定薄膜的大小并進行裁剪，在裁剪過程中應避免邊緣毛刺的產生，注意邊緣的平整度，以避免因毛刺的產生而導致的上下電極短路。

由于導電銀膠的粘著力與粘著面積參數有關，因此，該文選擇用薄銅片代替銅導線開展實驗。其作用在于可以最大限度增加其與電極之間的實際接觸面積，進一步增大粘著力。此外，由于薄銅片相對來說比較柔軟，可以借助自身彎曲形變將作用在導線中的相關應力進行有效轉化，不會直接將其傳遞到電極以及導線間的連接位置中，從而造成導線脫落。

該文使用電烙鐵將導線與薄銅片焊接在一起，然后采用沙皮紙進行薄銅片表面打磨處理與擦凈處理，之后再把導電銀膠按照規(guī)范化程序涂抹到薄銅片上。此外，為了在一定程度上確保粘結可靠，需要在導電銀膠涂抹期間，將涂層控制的越薄越好。因PVDF壓電薄膜表面電極導線粘接地方一般情況下都是裸露在外的，非常容易在實際使用期間遭受到破壞，進而影響其正常工作。故，可以在PVDF壓電的表面采用膠帶覆蓋，這樣可以防止表面引出導線被損壞[5]。制作好的壓電薄膜傳感器，如圖2所示。

2 整體方案設計

整體方案如圖1所示，由PVDF壓電薄膜、收集電路和鋰電池三部分組成。其中收集電路包括四倍壓整流電路、DC-DC轉換電路和充電電路。當PVDF壓電薄膜，在環(huán)境中受到一定的頻率震動的時候，傳感器會產生一定的壓電信號，經過測試發(fā)現(xiàn)，經過測量傳感器所產生的壓電信號為峰值為1.5 V的正弦波。將此壓電信號經過四倍壓整流電路就會形成AC-DC的轉換。得到的直流信號經過DC-DC轉換電路將整流得到的電壓轉換成為能夠驅動充電電路的電壓，輸送給充電電路，最后實現(xiàn)對鋰電池的充電。

3 PVDF壓電薄膜收集電路的設計

3.1 四倍壓整流電路的設計

該文設計的壓電能收集電路AC-DC模塊為四倍壓整流電路，如圖2所示。當PVDF壓電薄膜，在環(huán)境中受到一定的頻率震動的時候，傳感器會產生一定的壓電信號（PIEZO），經過測試發(fā)現(xiàn)，所產生的壓電信號為峰值為1.5 V的正弦波。而且壓電信號（PIEZO）具有極性，當PIEZO為負半周時，將二極管D1以及D3進行導通，然后使電容C1與C3被充電，電壓標注為Vm。但是當PIEZO是正半周的時候，其二極管D1與D3將會被截止，而且電容C1與C3也會被停止充電，當二極管D2導通的時候，C1電壓將會不斷增加，C2在充電量上將達到原來的大約2倍左右。同樣，C4也被充到2 Vm。由于C2和C4不能放電，這就使接在其兩端的超級電容器C5保持直流電壓為4 Vm。實際工作中，由于每個二極管不可避免的存在正向電壓降，C5上的直流電壓不能完全的達到4Vm，但是非常接近。接下來的正半周期，C2和C4對負載放的電，通過C1和C2來補充。因此，四倍壓整流電路既能完成從交流到直流的變換，又能一定程度上穩(wěn)定直流電壓。

其優(yōu)點有以下幾點。

（1）四倍壓整流電路能夠把一個較低的交流電壓整流成為一個較高的直流穩(wěn)定電壓信號。

（2）四倍壓整流電路所得到的電壓信號是原來的4倍左右，利用的價值更高。

3.2 DC-DC轉換電路的設計

該文設計的壓電能收集電路DC-DC模塊是以MAX1678芯片為核心的驅動電壓電路，如圖3所示。主要作用是將整流得到的電壓轉換成能夠驅動充電電路的電壓。

MAX1678芯片存在轉換效率高的特點，采用該芯片輸入電壓低以及內置一個同步整流器的升壓式DC-DC變換器集成電路芯片。當0.87 V輸入電壓的情況下，就可以啟動工作，存在37 μA靜態(tài)化電流。此外，該芯片有著3.3 V固定輸出式以及可調范圍控制到2～5.5 V之間的輸出可調式產品。當輸出電流達到50mA負載條件的時候，其最終的轉換效率將會高達90%。除此之外，該芯片內置可以用作欠壓封鎖功能的比較器，具備靜態(tài)化電流僅僅是 2 μA關閉模式。

由于MAX1678芯片內部已經集成了功率開關、同步速流器和控制電路，因此，需要對其外圍電路進行設計。根據實際需要選擇合適的元件（電阻、電容和電感）。該電路通過外接的兩個分壓取樣電阻R1和R2，根據公式計算得到，R1（=R2）的選擇范圍為100 kΩ ～1 MΩ；該電路通過外加分壓電阻R3和R4，對輸出電壓進行設置，根據公式計算得到， R3（=R4）的選擇范圍為100 kΩ～1 MΩ。電感選擇的范圍為22～47 μH，有利于在一定程度上減小電流實際脈動，有效降低輸出紋波，促進輸出電流容量的不斷增大。同樣濾波電容可以選擇陶瓷電容和電解電容，較大容量的濾波電容有利于改善輸出紋波和瞬態(tài)響應。

3.3 充電電路的設計

該文設計的壓電能收集電路的充電電路模塊是以MAX1811芯片為核心的充電電路，如圖4所示。要實現(xiàn)利用壓電發(fā)電裝置為電子產品進行供電，關鍵是對電量的積累。因此，該文的主要方法是采用超級電容器來收集PVDF壓電薄膜產生的電量，而且對收集到的壓電能，通過可反復進行充電的鋰離子進行儲存。

采用MAX1811芯片作為充電電路的核心，能夠從外部獲取電壓范圍控制為4.35～6.5 V之間的電壓，究其原因在于其內部存在溫度控制回路、電池過放電檢測設備。不需要由微處理器進行管理控制，包括兩個設置端，當SELV設置相對較高的時候，電池最終電壓控制到4.2 V；而當設置較低的時候，其最終電壓是4.1 V，能夠適應不同電壓的鋰電池。此外，如果最終電壓實際精度達到了0.5%，則會實現(xiàn)電池充電的安全化。另一個設置端是SELI，開關合上為高電平，充電電流為500 mA，適用于高功率的端口（4.75～5.25 V，500 mA）；開關斷開為低電平，電流100 mA，適用于低功率端口（4.4～5.25 V，100 mA）。當驅動芯片的電壓滿足要求時，也就是說，DC-DC輸出電壓達到MAX1811芯片充電控制端電壓要求時，其電路會自動工作。

4 結語

文章提出了基于PVDF（壓電薄膜）的壓電能收集的整體方案，主要針對壓電能收集電路的設計，其中包括四倍壓整流電路、以MAX1678芯片為核心的DC-DC轉換電路和以MAX1811芯片為核心的充電電路。通過對電路的仿真分析，驗證了該方案的可行性。在實驗的過程中，通過對壓電薄膜傳感器施加一定的振動信號，經過測試，能夠采集到峰值為1.5 V的正弦波壓電信號。但是對最終實現(xiàn)對鋰電池的充電，還需對進一步對整體硬件電路的調試和改進。

參考文獻

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[2] 李政，唐禎安，余雋.一種壓電能量收集與管理電路[J].電子器件，2015，1（38）：122-125.

[3] 劉超.振動微能量收集管理系統(tǒng)的研究[D].成都：電子科技大學，2014.

[4] Bobby.超級電容器簡介[J].今日電子，2006（l）：37-38.

[5] 楊擁民，張玉光，陳仲生，等.基于壓電陶瓷的振動能量捕獲技術現(xiàn)狀及發(fā)展[J].中國機械工程，2009（20）：21-26.