《电子技术应用》

一种基于压电效应的振动能量收集电路

2015年电子技术应用第8期 作者:荣 训,陈志敏,曹广忠
2015/10/13 13:50:00

    摘  要: 为了收集环境中的振动能量,实现传感器等低能耗器件的自供能,设计了一种可收集环境中低频机械振动能量的发电电能收集电路,通过三倍压电路将压电晶体产生的交流电压进行倍压放大,利用LTC3588-1电源管理芯片中的低噪声全波整流及高效降压转换器进行变换,获得可为传感器等低能耗器件供电的直流电压。分析与实验表明,设计的振动能量收集电路可为传感器等器件提供电能,实现微弱电能的收集。

    关键词: 压电效应;振动能量;能量收集电路

0 引言

    环境中振动能量收集越来越受到传感器领域的关注。随着生产工艺的不断提升,小型电子元件的功率不断降低,使得诸如无线传感器节点等低能耗设备的自供电成为可能。目前,利用环境中的振动能量为这些小型电子设备供电,替代或减少外部电源及充电电池成为了研究热点。这些振动能量来源包括声波振动、机械振动等,其中机械振动能量来源丰富,足以满足应用需求,通过压电式能量收集器可以方便地将其转化为电能。对压电能量收集技术的研究主要分为两个部分,即优化能量收集器结构和优化存储产生电荷的能量收集电路。

    压电能量收集电路一般由全桥整流电路和电容及负载组成,但由于电信号的输出过小,这些电路都难以为电子元件或传感器直接供电。SODANO等[1-2]研究了不同的压电能量收集器以及利用电容或充电电池进行能量存储的方法。OTTMAN等[3]开发了一种高效电路,用于存储电荷以及为负载供电。LEFEUVRE等以及BADEL等[4-5]开发了一种新型功率流优化方法,用于提高能量转换效率,这种方法基于“电感式同步开关收集技术”(SSHI),虽然相比于标准能量收集电路,这种方法提高了能量收集效率,但多数需要提供外部电源使微处理器产生开关信号。

    本文基于悬臂梁式压电双晶能量收集器,设计了由三倍压电路及低功耗电源管理芯片LTC3588-1组成的能量收集电路,研究了低频振动下电路输出功率,并通过实验验证了其可为传感器等低能耗设备供电。

1 压电能量收集器的结构及理论模型

1.1 压电能量收集器的结构

    压电能量收集器通常为单晶或双晶压电片及金属弹性层构成的悬臂梁结构,压电元件工作在d31模式。其一端固定在基座上,通过基座振动产生激励,压电层中变化的应变产生交变电压经压电晶体片上的电极输出。

    本文中压电能量收集器采用电极并联的压电双晶组成,结构如图1所示。上下两片矩形的压电晶体片粘合在金属弹性层的两侧构成电能输出的一极,上层压电晶体片的表面与下层压电晶体片的表面相连构成另一极。

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1.2 压电能量收集器的理论模型

    根据IEEE标准176(1978),工作在d31模式的压电元件的压电方程为:

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2 压电能量收集电路

    能量收集多采用标准电荷捕获电路。压电能量收集器在机械振动作用下产生的交流电信号需经桥式整流、滤波和DC-DC电压变换单元后,输出的电能再由储能元件储存起来[7-8]。传统的桥式整流电路,电路的压降大,输出的电压不稳定,且耗能多。为了收集到尽可能多的能量,本文使用三倍压电路,先将电压升压,然后用以LTC3588-1芯片为核心电源管理电路整流和稳压。系统框图如图3所示。

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2.1 三倍压电路

    低频振动时,压电能量收集器产生电压较小,且电源管理芯片工作电压需要大于2.7 V,故本文设计了如图4的三倍压电路,将压电能量收集器产生的电压进行升压。

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    电路工作原理为:在正弦电压源的第一个正半周时C1被充电至U,第一个负半周时C2上的电压被充电到接近2U;当第二个正半周时,D1、D3导通,D2截止,C2上的电压与电源串联经D3对C3充电至3U。

    在开始的几个周期内C3上电压并不能真正充至3U,经过几个周期之后C3上累积的电压约为3U,从而在负载两端得到近似于三倍的电压[9]。本文电路输入端采用低频振动时压电能量收集器等效输出,电压峰值为3 V,振动频率为3 Hz。其输出波形如图5所示。

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2.2 电源管理电路

    美国凌力尔特公司推出新型电源管理芯片LTC3588-1,以优化对低压电源的管理。LTC3588-1内部集成一个低损耗、全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器,通过压电能量收集器收集环境中的振动能量,然后将这种能量转换成调节好的的电压输出,可以为微控制器、传感器、数据转换器和无线传输组件供电。

    LTC3588-1的输入电压为2.7 V~20 V,可设定4种不同的电压输出:1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V。LTC3588-1可对输入的电压进行整流并通过外部存储电容器进行滤波、存储,同时通过内部并联稳压器稳压、限幅。LTC3588-1有11个引脚,当D1为高电平、D0为低电平时,其输出电压为3.3 V。电源管理电路如图6所示。

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2.3 能量收集电路

    整体能量收集电路如图7所示,压电能量收集器将机械能转化成电能,通过三倍压后,电源管理电路对电压进行稳压和存储,然后就可以给低功耗的电子器件供电[10-11]

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3 实验测试与结果

    本文采用的压电材料是PZT-5,金属弹性层的材料是黄铜#CW617N,压电能量收集器实物如图8所示。按压压电能量收集器时的机械振动使压电能量收集器产生电能,产生的电压最大值约为3 V,频率为3 Hz左右,图9是压电能量收集器产生的电压波形。在测试中,用本文设计的能量收集电路来收集压电能量收集器产生的电能,电路输出的电压约为3.3 V,与电源管理芯片理论输出电压基本一致,其输出波形如图10所示。 

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    图11是一个基于触摸检测IC(TTP223B)的电容式点动型触摸开关模块。常态下,模块输出低电平,模式为低功耗模式。当用手指触摸相应位置时,模块会输出高电平,模式切换为快速模式;当持续12 s没有触摸时,模式又切换为低功耗模式,模块供电电源可为DC 2 V~5.5 V,其正常工作的功率范围是0.4 mW~20 mW。

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    测试电路如图12所示。经过一段时间的充电后,电路输出的电压是3.3 V,用手指触摸传感器相应的位置时,模块上的LED指示灯会点亮,说明传感器正常工作,此时模块输入端的电流是1.38 mA,功率为4.55 mW。若传感器间断工作,则可以延长传感器的工作时间。

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4 结论

    压电能量收集器可实现将环境中的振动能量转换为电能,解决电池带来的污染问题以及特殊环境里的电池更换问题。本文设计的能量收集电路,在低频下收集的电能可供功率为4.55 mW的触摸式传感器正常工作,实现了微弱电能的收集,验证了低功耗器件自供能的可行性。由于压电发电具有节能、环保、易于实现等特点,因此作为新型能源将具有良好的应用前景。

参考文献

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[2] SODANO H A,INMAN D J,PARK G.Generation and storage of electricity from power harvesting devices[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2005,16:67-75.

[3] OTTMAN G K,HOFMAN H F,BHATT A C,et al.Adaptive piezoelectric energy harvesting circuit for wireless remote power supply[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2002,17:669-676.

[4] LEFEUVRE E,BADEL A,BENAYAD A,et al.A comparison between several approachs of piezoelectric energy harvesting[J].Joural de Physique IV,2005,128:177-186.

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[6] Hofmann H F,0ttman G K,Lesieutre G A.Optimized piezo electric energy circuit using step-down conyerter in discontinuous conduction mode[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2002,18(2),696-703.

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[10] 刘建涛,张建成,马杰.储能技术在光伏并网发电系统中的应用分析[J].电网与清洁能源,2011,27(7):62-66.

[11] 朱莉娅,陈仁文,雷娴.压电振动发电机的研究现状与发展趋势[J].中国机械工程,2011,22(24):3016-3022.

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