面向压电能量收集的传感器自供电电源设计

0 引言

在过去的10多年里，各类处理、通信、存储技术迅速发展，随之发展的无线传感器网络技术已深入生活各方面，在工业中也得到广泛应用。其可靠性高，成本低，覆盖面广，功耗极低。而电源技术发展较慢，能量密度上无明显提高。传统上，各类无线传感器一直采用电池供电的方式测量并发送无线数据[1-2]。这种供电方式工作可靠，难度低，但维护成本(如更换电池费用)高，尤其是大部分传感器节点电池代价高，部分甚至不能更换。另外，采用太阳能等作为自供电能量来源，必须是在有光的环境下。刘创等[3]提出了移动充电的解决方案，但这要求传感器节点具备无线充电能力。还有一些特殊场合不允许搭载或进入外部供电设备。因此，能够适应诸多应用场景的微弱能量收集技术,已成为无线传感器网络进一步发展的前提[4-6]。

本文介绍了基于压电效应的振动能量收集技术，并设计了一个围绕LTC3588-1电源管理芯片的能量收集电路。

1 悬臂梁式压电换能器理论模型及工作方程

1.1 悬臂梁式压电换能器理论模型

通常压电能量收集器为单层或双层压电陶瓷片构成的悬臂梁结构[7]，即压电单晶片或压电双晶片，作为收集器的悬臂梁固定在振动的宿主结构上，压电层中变化的应变产生交变电压并通过陶瓷上的电极输出。本文选取压电单晶片作为激励源，如图1所示，其中，M为重物质量，R1为负载，u(t)为输出电压。末端固定一重物作为振子降低谐振频率[8]，以适应低频工作环境；固定基座，当振子振动时，压电材料产生形变，从而在压电层上、下表面产生电位差，当振子做往复运动时，将在负载Rl上产生一个近似正弦波的连续电压。

图1 压电能量收集器结构

1.2 压电换能器工作方程

表征压电层在厚度方向的耦合输出方程及电位移表达式[9]为

式中：T1为轴向应力；S1为轴向应变；为压电层在恒电场条件下的弹性刚度(即杨氏模量)；e31为压电常数；E3为电场强度；D3为电位移；为恒应变条件下的介电常数。

2 电源管理电路

为了将压电换能器输出的交流电转化为可供传感器工作的稳定电压，需要经过一个电源管理电路。目前，国内外的解决方案主要有基于传统分立电路能量收集技术、采用芯片的能量收集技术及采用高度集成电路的能量收集技术[10] 3种。

传统的分立电路主要由整流电路、DC/DC变换电路及微控制器组成，制作成本低，但这种类型的分立电路的电路功耗大，电压门限高，不适合对低输出的压电陶瓷(PZT)换能器进行处理。Li Yani等[11]设计的分立电路将功耗降至1.42 μW，但电路结构较复杂。采用高度集成电路效率高[12-13]，可适用于各种应用场景，但制作成本高。本文采用易设计、功耗较低的基于电源管理芯片的能量收集电路。

2.1 LTC3588-1电源管理芯片

LTC3588-1支持2.7～20 V的输入，其在内部集成了一个低损耗全波桥式整流器和一个降压型稳压器，可直接连接至一个压电电源，经整流和降压后给出一个稳定的输出，可为传感器、微控制器等供电。另外，芯片可通过配置G0、G1引脚提供4种不同的输出(1.8 V，2.5 V，3.3 V，3.6 V)，如表1所示。表中，0代表对应引脚接地，1代表对应引脚接至输入端VIN。电路如图2所示。以LTC3588芯片为核心，PZ1，PZ2双端或VIN单端为输入端，C7为输出端储能电容，VCC为电压输出端。

表1 输出电压选择

图2 电源管理电路

2.2 倍压电路

由于在低频低应力振动下，压电换能器输出较小，而LTC3588-1电源管理芯片的输入要求最低为2.7 V，故设计一个四倍压电路。将压电换能器的输出进行倍压后，再送入电源管理电路，倍压电路如图3所示。

图3 四倍压电路

在Vpzt正弦波的第一个半周，二极管D1导通，D2截止，电流经过D1对电容C1充电至峰值Vpzt;第二个半周时，二极管D2导通，D1截止，此时，C1上的电压与Vpzt串联叠加，经过D2对电容C2充电，此时，充电电压为Vpzt+Vpzt=2Vpzt，经过一段时间，C2上的电压基本为2Vpzt;第三个半周，二极管D1和D3导通，D2截止，电流除经过D1对C1充电外，又经过D3对C3充电，C3上的充电电压为Vpzt+Vc2-Vc1=2Vpzt；第四个半周，二极管D2和D4导通，D1和D3截止，电流除经过D2对C2充电外，又经D4对C4充电，C4上的充电电压为Vpzt + Vc1+ Vc3-Vc2 =2Vpzt，此时，电路的输出电压Vout=Vc2 + Vc4=4Vpzt。

图4为四倍压电路波形。事实上，由于压电激励源的不稳定性，在前几个周期内，Vout并不能很快达到4Vpzt，在经历了10个或更多个周期后，输出电压才会达到预定值4Vpzt。设计电路输入端为压电换能器低频工作条件下的等效输出，频率为3.3 Hz，电压峰值为3 V，最终输出约为11 V。

图4 四倍压电路波形图

2.3 整体电路

图5为整体电路。压电换能器将收集到的机械能转化为电能，输出一正弦波，经四倍压电路后，送入LTC3588-1电源管理电路，最终输出一个稳定的电压，为低功耗传感器件供电。

图5 能量收集电路图

3 实验设计与验证

这里选取ZM-PZT-65×37×0.4型号的压电发电片，采用悬臂梁结构，压电换能器实物如图6所示，通过绝缘薄层隔离压电换能器与基座夹持端，另一端加以重物作为振子适应低频工作环境。通过人体载荷按压压电换能器产生机械振动，并通过压电换能器得到换能器输出波形，实测为振幅接近5 V、频率约3.3 Hz的正弦波。将此输出接入所设计的电源管理电路后，得到3个分别近似1.8 V、2.5 V、3.3 V的输出波形。

图6 压电换能器

实验中，将输出的1.8 V、2.5 V或3.3 V电压作为电源提供给MSP430单片机，通过一个按键控制单片机切换G0、G1口的0、1状态，从而切换输出电压。

实验表明，压电能量收集装置可使处于低功耗LM3模式下的MSP430单片机正常工作，且每隔6 s控制LED灯亮1 s。

实测中，在低功耗模式下，LED灯亮时，MSP430的功耗最大值为6.6 mW，对模块输入端口测试如表2所示。由表可看出，在间断工作的场景下，负载依然可正常工作。

表2 MSP430输入端测试

4 结束语

压电能量收集技术能够收集环境中的低频能量,并将其转化为电能供低功耗传感器件使用。本文设计了可切换电源电压值的能量收集电路，实测表明，其收集的能量可供一块低功耗MSP430单片机正常工作。随着物联网基础设施的全面展开，可以预见该技术具有良好的应用前景。以后工作可考虑增加能量存储电路，以提高电路的瞬时功率输出能力。