徐文青， 王忠民， 張延波

(山東省科學(xué)院自動化研究所， 山東 濟南 250014)

最近幾年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和微機電系統(tǒng)(MEMS)等低功耗設(shè)備發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍越來越廣，但是供電問題正日益成為其發(fā)展的瓶頸[1].由于受限于安裝環(huán)境和工作條件，無線終端無法使用有線電源供電，而電池供電方式又存在壽命有限的明顯缺陷.因此，從自然環(huán)境中得到電能，特別是將普遍存在的機械振動能量轉(zhuǎn)換為電能成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點.過去幾年，將機械振動能轉(zhuǎn)換為電能的解決方案尚不完善，利用振動能量采集器從機械振動源得到交流電后，往往需要經(jīng)過由分立器件搭建的整流、升壓和濾波電路后，才能得到負載需要的供電電壓.這種方法效率低下，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出電壓質(zhì)量差[2].本文使用高集成度能量采集芯片設(shè)計出一款效率高、結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓質(zhì)量高的穩(wěn)壓電源.

1 振動能量采集器

近些年，對于振動能量采集器的研究越來越廣泛，市場上推出的產(chǎn)品越來越豐富，主要分為壓電式、靜電式和電磁式三種.壓電式振動能量采集器采用壓電晶體材料，構(gòu)成多層懸臂結(jié)構(gòu)，最外層起到支撐作用.當(dāng)機械振動產(chǎn)生的力作用在懸臂結(jié)構(gòu)的晶體上時，晶體產(chǎn)生變形，然后產(chǎn)生電場.機械振動方向的不同，引起電極方向的變化，所以得到的是交流信號.靜電式振動能量采集器使用一對帶電極板，板上的電荷總量保持不變，當(dāng)振動產(chǎn)生時，兩個板子產(chǎn)生相對運動，板間電容變化，板上存儲的電荷發(fā)生移動，產(chǎn)生電場.電磁式振動能量采集器使用彈簧、振動膜片固定可活動元件，當(dāng)振動產(chǎn)生時，內(nèi)部的磁鐵和線圈產(chǎn)生相對運動，建立電場，類似發(fā)電機原理[3-5].

振動能量采集器在每個振動周期輸出的是電壓相對較高，但是電流極小的交流電，能夠捕獲的能量非常微弱.所以，要根據(jù)實際工作環(huán)境的振動頻率和方式，選擇合適的振動能量采集器類型，設(shè)計高效的機械共振結(jié)構(gòu).振動能量采集器被安裝在機械振動源上之前，需要調(diào)節(jié)其自然頻率，與振動源頻率匹配，才能最好的發(fā)揮其能量采集功能[6-9].測量振動源特性，最有效的方法是使用加速計測量出振動數(shù)據(jù)，然后做FFT運算得到相關(guān)的頻率信息，即可得到振動源的有效頻率.完成安裝之后，可以通過示波器測量采集器的輸出，當(dāng)波形幅度符合能量采集器規(guī)格書給出的數(shù)據(jù)時表示采集器與振動源頻率匹配，轉(zhuǎn)換效率最高.高效的振動能量采集器結(jié)構(gòu)與安裝方式，結(jié)合高效的穩(wěn)壓電路設(shè)計，才能構(gòu)成一個完整可靠的振動能量穩(wěn)壓電源.

2 穩(wěn)壓電源設(shè)計

選用LINEAR公司的振動能量采集芯片LTC3588-1作為實現(xiàn)穩(wěn)壓電源設(shè)計的核心器件，其電路原理如圖1所示.能量采集芯片LTC3588-1通過內(nèi)部的全波橋式整流器將振動能量采集器輸出的交流信號變成直流信號，然后把電荷存儲在輸入端存儲電容C1上，為內(nèi)部穩(wěn)壓電路提供電量.采集芯片的內(nèi)部橋式整流器損耗很低，當(dāng)振動能量采集器電流為10μA時，整流器壓降只有400mV.當(dāng)輸入端存儲電容的電壓大于上升沿欠壓保護閾值時，能量采集芯片開啟內(nèi)部穩(wěn)壓電路，把輸入存儲電容上的電荷轉(zhuǎn)移到輸出端存儲電容C2上；當(dāng)輸入端存儲電容的電壓小于下降沿欠壓保護閾值時，能量采集芯片關(guān)閉穩(wěn)壓電路，此時芯片靜態(tài)電流僅有450nA.內(nèi)部穩(wěn)壓電路通過VOUT引腳檢測輸出電壓形成內(nèi)部反饋，使用滯后電壓算法控制輸出電壓大小，通過電感L1給輸出端存儲電容C2充電，使C2電壓略高于穩(wěn)壓值.當(dāng)輸出電壓達到穩(wěn)壓輸出條件后，內(nèi)部穩(wěn)壓電路進入睡眠模式，此時負載電流由輸出端存儲電容C2提供.當(dāng)輸出電壓小于穩(wěn)壓值，內(nèi)部穩(wěn)壓電路被喚醒進入下一個工作周期.

圖1 振動能量穩(wěn)壓電路原理圖

內(nèi)部穩(wěn)壓電路只有在輸入存儲電容已經(jīng)采集足夠多的能量并需要將其傳輸給輸出端存儲電容時才正常工作，傳輸電量的時間又遠遠小于能量采集的時間，所以在整個周期內(nèi)，穩(wěn)壓電路平均靜態(tài)電流非常低.通過配置輸出電壓選擇位D0、D1可以選擇輸出穩(wěn)壓電壓值VOUT，其對應(yīng)的輸出靜態(tài)電流IQ見表1.

表1 輸出電壓選擇及靜態(tài)電流

能量采集芯片的Pgood引腳用來提示輸出電壓已經(jīng)達到穩(wěn)壓值，在輸出電壓降低到穩(wěn)壓值的92%之前會一直保持高電平輸出.一般將其連接到微控制器或者其他芯片的I/O上，用來判斷電源電壓輸出情況.

在穩(wěn)壓電源電路中，輸入端存儲電容用來存儲穩(wěn)壓輸出需要的電量，其容值大小要根據(jù)負載功率及工作時間來確定.

VUVLOFALLING≤VIN≤VSHUNT

(1)

式中：PLOAD指負載消耗功率；tLOAD指負載工作時間；η指能量采集芯片穩(wěn)壓電路的平均效率；VIN指能量采集芯片整流后的直流電壓;VUVLOFALLING指能量采集芯片輸入電壓的下降沿欠壓保護閾值;VSHUNT指能量采集芯片的關(guān)斷電壓.

3 電路仿真

仿真電路選用MIDE公司的VOLTURE系列V20W壓電能量采集器作為振動能量采集器，當(dāng)環(huán)境振動頻率為95Hz，振動幅度的加速度單位為0.5g，V20W自身配重塊重量為7.8g時，最大輸出功率是1.428mW，短路電流大約100μA.仿真軟件選用Linear公司的LTspice軟件，仿真電路使用圖1所示的穩(wěn)壓電源電路.通過仿真得出，能量采集芯片整流后的輸入電壓峰值為4.07V，此時效率為81%.假設(shè)負載供電電壓1.8V，工作電流1mA，持續(xù)時間40ms，則輸入端存儲電容選擇為25μF.仿真得到的能量采集芯片輸入電壓、輸出電壓、Pgood引腳電平波形如圖2所示.

圖2 振動能量穩(wěn)壓電源仿真波形

圖2中上面類似鋸齒波的波形是能量采集芯片輸入端存儲電容的輸入電壓，從0V開始累積電量，電壓升高，當(dāng)超過上升沿欠壓保護閾值4.07V時，芯片內(nèi)部穩(wěn)壓電路開啟，電源為負載供電。然后輸入電壓急劇下降，當(dāng)輸入電壓低于下降沿欠壓保護閾值2.85V時，芯片內(nèi)部的穩(wěn)壓電路關(guān)閉，電容再次進入充電周期。圖2中下面的矩形波是Pgood信號，當(dāng)Pgood為高電平時，表示穩(wěn)壓輸出正常，可以給負載供電；當(dāng)Pgood為低電平時，表示穩(wěn)壓電路關(guān)閉。下面的另一個波形是穩(wěn)壓輸出電壓，它的上升沿和Pgood信號同步置高，但是當(dāng)芯片內(nèi)部穩(wěn)壓電路關(guān)閉、Pgood信號置低后，由于輸出端存儲電容的存在，輸出電壓會緩慢下降到0V。電源正常工作時，每一個充電和放電周期中，充電時間2s，穩(wěn)壓輸出時間40ms.

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的振動能量電源設(shè)計使用橋式二極管、電容、電感等分立器件構(gòu)成整流電路和升降壓電路，實現(xiàn)振動能量到電能的轉(zhuǎn)換，其能量轉(zhuǎn)換效率受限于元器件本身和電路的復(fù)雜程度，最高不超過70%[10]，而且輸出電壓紋波較高，穩(wěn)壓輸出5V時，紋波電壓1.5V，高達30%，靜態(tài)電流高于1μA[2,11]。

采用能量采集芯片的振動能量穩(wěn)壓電源由振動能量采集器和穩(wěn)壓電源電路組成，本質(zhì)上是高效開關(guān)轉(zhuǎn)換電源，轉(zhuǎn)換效率在80%以上[12]。當(dāng)穩(wěn)壓輸出1.8V時，圖2中的仿真波形說明紋波只有10mV，不到1%，波形質(zhì)量高.能量采集芯片靜態(tài)電流僅有450nA，功耗很低，節(jié)省了來之不易的機械振動能量.采用能量采集芯片的方法集成程度高，結(jié)構(gòu)簡單，輸出電壓穩(wěn)定.與傳統(tǒng)的振動能量電源設(shè)計相比，關(guān)鍵指標有顯著改善.

振動能量穩(wěn)壓電源具有廣闊的應(yīng)用前景，非常適合用在災(zāi)害預(yù)警、安全監(jiān)測、環(huán)境采集等領(lǐng)域，為無線低功耗嵌入式設(shè)備提供必要電能，延長使用壽命.

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