面向壓電能量收集的傳感器自供電電源設計

徐強菊，葛麗莉，宗昌灝，楊雨諾，孫科學,2

(1.南京郵電大學 電子與光學工程學院,江蘇 南京 210023；2. 射頻集成與微組裝技術國家地方聯合工程實驗室, 江蘇 南京 210023)

0 引言

在過去的10多年里，各類處理、通信、存儲技術迅速發展，隨之發展的無線傳感器網絡技術已深入生活各方面，在工業中也得到廣泛應用。其可靠性高，成本低，覆蓋面廣，功耗極低。而電源技術發展較慢，能量密度上無明顯提高。傳統上，各類無線傳感器一直采用電池供電的方式測量并發送無線數據[1-2]。這種供電方式工作可靠，難度低，但維護成本(如更換電池費用)高，尤其是大部分傳感器節點電池代價高，部分甚至不能更換。另外，采用太陽能等作為自供電能量來源，必須是在有光的環境下。劉創等[3]提出了移動充電的解決方案，但這要求傳感器節點具備無線充電能力。還有一些特殊場合不允許搭載或進入外部供電設備。因此，能夠適應諸多應用場景的微弱能量收集技術,已成為無線傳感器網絡進一步發展的前提[4-6]。

本文介紹了基于壓電效應的振動能量收集技術，并設計了一個圍繞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成的懸臂梁結構[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的宿主結構上，壓電層中變化的應變產生交變電壓并通過陶瓷上的電極輸出。本文選取壓電單晶片作為激勵源，如圖1所示，其中，M為重物質量，R1為負載，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]，以適應低頻工作環境；固定基座，當振子振動時，壓電材料產生形變，從而在壓電層上、下表面產生電位差，當振子做往復運動時，將在負載Rl上產生一個近似正弦波的連續電壓。

圖1 壓電能量收集器結構

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化為可供傳感器工作的穩定電壓，需要經過一個電源管理電路。目前，國內外的解決方案主要有基于傳統分立電路能量收集技術、采用芯片的能量收集技術及采用高度集成電路的能量收集技術[10]3種。

傳統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，不適合對低輸出的壓電陶瓷(PZT)換能器進行處理。Li Yani等[11]設計的分立電路將功耗降至1.42 μW，但電路結構較復雜。采用高度集成電路效率高[12-13]，可適用于各種應用場景，但制作成本高。本文采用易設計、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，其在內部集成了一個低損耗全波橋式整流器和一個降壓型穩壓器，可直接連接至一個壓電電源，經整流和降壓后給出一個穩定的輸出，可為傳感器、微控制器等供電。另外，芯片可通過配置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代表對應引腳接地，1代表對應引腳接至輸入端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

由于在低頻低應力振動下，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，故設計一個四倍壓電路。將壓電換能器的輸出進行倍壓后，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正弦波的第一個半周，二極管D1導通，D2截止，電流經過D1對電容C1充電至峰值Vpzt;第二個半周時，二極管D2導通，D1截止，此時，C1上的電壓與Vpzt串聯疊加，經過D2對電容C2充電，此時，充電電壓為Vpzt+Vpzt=2Vpzt，經過一段時間，C2上的電壓基本為2Vpzt;第三個半周，二極管D1和D3導通，D2截止，電流除經過D1對C1充電外，又經過D3對C3充電，C3上的充電電壓為Vpzt+Vc2-Vc1=2Vpzt；第四個半周，二極管D2和D4導通，D1和D3截止，電流除經過D2對C2充電外，又經D4對C4充電，C4上的充電電壓為Vpzt+Vc1+Vc3-Vc2=2Vpzt，此時，電路的輸出電壓Vout=Vc2+Vc4=4Vpzt。

圖4為四倍壓電路波形。事實上，由于壓電激勵源的不穩定性，在前幾個周期內，Vout并不能很快達到4Vpzt，在經歷了10個或更多個周期后，輸出電壓才會達到預定值4Vpzt。設計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械能轉化為電能，輸出一正弦波，經四倍壓電路后，送入LTC3588-1電源管理電路，最終輸出一個穩定的電壓，為低功耗傳感器件供電。

圖5 能量收集電路圖

3 實驗設計與驗證

這里選取ZM-PZT-65×37×0.4型號的壓電發電片，采用懸臂梁結構，壓電換能器實物如圖6所示，通過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低頻工作環境。通過人體載荷按壓壓電換能器產生機械振動，并通過壓電換能器得到換能器輸出波形，實測為振幅接近5 V、頻率約3.3 Hz的正弦波。將此輸出接入所設計的電源管理電路后，得到3個分別近似1.8 V、2.5 V、3.3 V的輸出波形。

圖6 壓電換能器

實驗中，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，通過一個按鍵控制單片機切換G0、G1口的0、1狀態，從而切換輸出電壓。

實驗表明，壓電能量收集裝置可使處于低功耗LM3模式下的MSP430單片機正常工作，且每隔6 s控制LED燈亮1 s。

實測中，在低功耗模式下，LED燈亮時，MSP430的功耗最大值為6.6 mW，對模塊輸入端口測試如表2所示。由表可看出，在間斷工作的場景下，負載依然可正常工作。

表2 MSP430輸入端測試

4 結束語

壓電能量收集技術能夠收集環境中的低頻能量,并將其轉化為電能供低功耗傳感器件使用。本文設計了可切換電源電壓值的能量收集電路，實測表明，其收集的能量可供一塊低功耗MSP430單片機正常工作。隨著物聯網基礎設施的全面展開，可以預見該技術具有良好的應用前景。以后工作可考慮增加能量存儲電路，以提高電路的瞬時功率輸出能力。