陳志敏，榮訓，曹廣忠

（深圳大學機電與控制工程學院深圳電磁控制重點實驗室，廣東深圳518060）

基于壓電能量收集技術的自供電電源設計

陳志敏，榮訓，曹廣忠

（深圳大學機電與控制工程學院深圳電磁控制重點實驗室，廣東深圳518060）

針對環(huán)境和工業(yè)檢測領域小型無線傳感器網絡節(jié)點的供電問題，提出了一種基于壓電能量收集技術的自供電電源設計方案。利用壓電能量收集器將機械振動能轉換為電能，基于LTC3588_1電源管理芯片搭建電壓變換及能量存儲電路，獲得可供傳感器工作的直流電源。實驗結果表明，設計的基于壓電能量收集技術的自供電電源可為低功耗無線傳感器網絡節(jié)點提供電能，具有應用前景。

壓電能量收集技術；無線傳感器網絡節(jié)點；能量收集電路；自供電

微機電系統(tǒng)和低能耗嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，使得無線傳感器網絡技術應運而生。無線傳感器網絡節(jié)點是無線傳感器網絡的基本功能單元，通常是帶有傳感器和無線收發(fā)器的微機系統(tǒng)，可用于測量環(huán)境中的多種參量，包括溫度、壓力、濕度、日射率以及復雜的圖像、音頻和視頻等。目前，無線傳感器網絡應用集中在環(huán)境和工業(yè)檢測領域，間隔數(shù)秒或數(shù)小時的檢測結果反映了某一過程或現(xiàn)象的時間變化規(guī)律。傳感器的節(jié)點分布眾多，無線傳感器網絡中的節(jié)點一般用電池供電，可使用的電量非常有限，并且對于有成千上萬節(jié)點的無線傳感器網絡來說，更換電池非常困難，甚至是不可能的。因此，為無線傳感器網絡節(jié)點的尋找替代化學電池的自供電電源可以有效解決這些問題。通常，這些節(jié)點具有以下特征［1］：

1）具有較低占空比。

2）休眠狀態(tài)時具有較低功率（10～300 μW）。

3）工作狀態(tài)（輪詢、發(fā)送、接收）具有較高功率，一般在500 μW到600 μW之間，如果包括無線收發(fā)單元在內，最終的功率通常在2 mW到3 mW之間。脈沖持續(xù)時間短，在500 ms或更低。

鑒于無線傳感器網絡節(jié)點的這些供能問題及特征，本文提出一種基于壓電能量收集技術的自供電電源設計方案。電源包括壓電能量收集器以及利用LTC3588_1電源管理芯片為核心組成的電壓變換存儲電路，研究了壓電能量收集器在諧振狀態(tài)下，壓電能量收集器的輸出電壓、電流和自供電電源的輸出功率。

1　壓電能量收集器結構及工作原理

壓電材料具有正壓電效應和逆壓電效應，其中正壓電效應是實現(xiàn)機電能量轉化的基礎。目前應用較多的壓電材料為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。根據(jù)壓電陶瓷材料的正壓電效應：當壓電陶瓷材料受外力作用時，由于極化電場的存在，導致上、下兩表面有正、負電荷產生，反向施加壓力則會產生相反的電荷，外力撤除，電荷消失。壓電陶瓷的發(fā)電原理正是利用壓電材料的正壓電效應將機械振動轉化為電能［2_3］。通常，根據(jù)應用需求，可以使用壓電陶瓷材料和金屬彈性層組成不同種類的壓電能量收集器，例如，層疊結構，壓電雙晶片結構，膜結構或者螺旋彈簧結構，每種結構都由其各自的優(yōu)點和設計的局限性。

文中壓電能量收集器采用電極并聯(lián)的壓電雙晶片懸臂梁結構，結構如圖1所示。其中，壓電雙晶片采用PZT_5H壓電陶瓷，金屬彈性層采用#CW617N黃銅材料。

圖1　壓電能量收集器結構圖

懸臂梁結構的壓電能量收集器發(fā)電原理主要基于第一類壓電線性本構方程，其邊界條件為機械自由、電學短路情況［4］：

式中，S1為機械應變，T1為機械應力，D3為電位移，E3為電場強度。cE11為壓電層在恒電場條件下的彈性剛度常數(shù)，d31為壓電常數(shù)，εT33為介電常數(shù)。

2　自供電電源電路設計

自供電電源電路將壓電能量收集器產生的電能進行整流降壓，變換后的電能利用存儲裝置存儲供給負載使用。

2.1傳統(tǒng)的自供電電源電路

基于壓電能量收集技術的自供電電源電路一般包括整流電路、濾波電路和降壓電路。傳統(tǒng)的自供電電源電路主要包括標準AC_DC收集電路、電荷同步獲取電路和電感同步開關電路［5］。存儲裝置采用電容或充電電池進行能量存儲，然而在多數(shù)情況下，由于電能的輸出過小，電路能耗過大，這些電路都不能為電子元件直接供電。

2.2新型的自供電電源電路

傳統(tǒng)的橋式整流電路，電路的壓降大，輸出的電壓不穩(wěn)定，且耗能多。為了收集到盡可能多的能量，本文基于壓電能量收集技術的新型自供電電源電路采用LTC3588_1電源管理芯片將壓電能量收集器產生的交流電進行整流和穩(wěn)壓，然后給傳感器供電。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　壓電能量收集系統(tǒng)框圖

LTC3588_1是美國凌力爾特公司推出的新型電源管理模塊，以優(yōu)化對低壓電源的管理。LTC3588_1內部電路的可以分為4個模塊：輸入端整流限壓模塊、濾波模塊、DC_DC穩(wěn)壓模塊。輸入端整流限壓模塊主要是對AC_DC交流轉直流的處理，同時對于轉換后的直流電壓進行限壓，避免由于電壓過高導致其它模塊的損壞。濾波模塊是去除轉換后尚存的直流的毛刺，穩(wěn)壓分為穩(wěn)壓控制模塊以及降壓型DC_DC轉換器。整流模塊采用了橋式整流的方式，相比于半波整流，全波整流大幅改善了電能利用率，簡化了電路的復雜度。PZ1、PZ2的輸入既可以是交流也可以是直流，使之可以滿足更多的場合。同時，Vin端接地的穩(wěn)壓二極管使得轉化后的電壓控制在20 V以內，起保護電路的作用。

LTC3588_1的輸入電壓為2.7～20 V，可設定4種不同的電壓輸出：1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V?？蓪斎氲碾妷哼M行整流并通過外部存儲電容器進行濾波、存儲，同時通過內部并聯(lián)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓、限幅。該芯片有11個引腳，當D1為高電平，D0為高電平時，其輸出電壓為3.6 V。當需要電源輸出電壓大于3 V，壓電能量收集器的輸出電壓要大于4.7 V。電源電路如圖3所示。

圖3　電源管理電路

3　實驗與結果分析

3.1壓電能量收集器特征頻率測定

壓電能量收集器將機械振動能量轉化為電能，當壓電器件特征頻率和外部激勵信號頻率一致時，能量收集器的輸出功率最大。然而，如果驅動信號頻率偏離器件特征頻率5%以上，收集能量迅速減少［6_8］。因此，獲得壓電能量收集器的特征頻率，使得外部激勵與其產生諧振，可得到最佳輸出功率。本文通過實驗的方法，測得收集器的開路電壓、短路電流與激勵頻率的關系分別如圖5、圖6所示。用于實驗的壓電雙晶懸臂梁幾何及材料參數(shù)如表1、表2所示。

表1　壓電雙晶懸臂梁幾何參數(shù)表

表2　壓電雙晶懸臂梁材料參數(shù)表

3.2電源性能測試與分析

由圖4，圖5可知，當外部激勵信號約為17 Hz時，能量收集器處于最佳工作狀態(tài)。因此，文中激振器的驅動信號為17 Hz的簡諧正弦信號，當電源電路負載為純電阻負載時，測得電源輸出功率如圖6所示。

圖4　能量收集器開路電壓與激振頻率的關系

圖5　能量收集器短路電流與激振頻率的關系

圖6　純電阻負載時電路輸出功率

由圖6可知，電源的輸出功率最大可以到3.2 mw。如果無線傳感器網絡節(jié)點采用間斷工作方式，電源能夠在短時間內輸出更大的功率。實際測試中，本文采用TTP223B單鍵觸摸式傳感器模塊和F05P無線發(fā)射傳感器模塊，實驗原理圖如圖7所示。常態(tài)下，TTP223B模塊輸出低電平，模式為低功耗模式。當用手指觸摸相應位置時，模塊會輸出高電平，模式切換為快速模式；當持續(xù)12秒沒有觸摸時，模式又切換為低功耗模式，模塊供電電源為DC2V～5.5 V；F05P是一款低成本、小體積、低功耗的ASK無線發(fā)射模塊，內部具有一級調制電路及限流電阻，無數(shù)據(jù)時休眠，并且具有較寬的工作電壓范圍，供電電壓為DC3～12 V，適合短距離的無線數(shù)據(jù)傳輸。文中實驗采用DG1022信號發(fā)生器為GF20_2功率放大器提供信號，從而驅動JZQ_5B型激振器振動產生外部激勵。采用DS1042C數(shù)字示波器檢測電壓波形，無線傳輸實驗實測平臺如圖8所示。

圖7　無線傳輸實驗電路原理圖

圖8　觸摸傳感器實測平臺

在實際測試中，觸摸傳感器處于工作狀態(tài)時，data引腳輸出高電平，無線傳感器將觸摸傳感器的信號發(fā)射出去，由接收模塊接收，來實現(xiàn)無線傳感器的無線傳輸。觸摸傳感器在待機狀態(tài)其電流為3～5 μA，工作時它的電流為0.6～1.4 mA，J05P待機時的電流為1 μA左右，工作時的電流為0.2～0.4 mA。模塊持續(xù)工作時間大約只有1 s左右。間隔一段時間后，模塊可以繼續(xù)正常工作。

4　結束語

本文提出的基于壓電能量收集技術的無線傳感器網絡節(jié)點的自供電電源設計方案，所設計的電源在壓電能量收集器處于諧振狀態(tài)下，純負載時的輸出最大功率可達到3.2mw。實驗結果表明，與傳統(tǒng)的自供電電源電路相比，利用LTC3588_ 1電源管理芯片搭建的電壓變換及能量存儲電路減少了充電時間，降低了功耗，且提高了帶負載能力，實現(xiàn)了無線傳感器網絡節(jié)點的自供電，具有應用前景。

［1］Priya S（印），Inman D J（美）著.能量收集技術［M］.黃見秋，黃慶安，譯.南京：東南大學出版社，2010.

［2］孫加存，陳荷娟.壓電發(fā)電能量轉移技術與實驗研究［J］.壓電與聲光，2015（1）：109_112.

［3］許卓，楊杰，燕樂，等.微型振動式能量采集器研究進展［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2015（2）：9_12.

［4］朱波.基于壓電材料的環(huán)境振動能量采集［D］.南京：南京航空航天大學，2013.

［5］孫子文，沈星，陳金金.自供能壓電振動能量回收接口電路優(yōu)化設計［J］.壓電與聲光，2013，35（4）：6_7.

［6］Chandrakasan，D.，Mo，C.Frederick，A.A.C1ark，W.W.Tunab1e Piezoe1ectricCa_nti1ever for EnergyHarvesting［C］//Proceedings of 2006 ASME Internati_ona1 Mechanica1 Engineering-Congress and Exposition，2006：14431.

［7］Muriuki M G，C1ark W W.Ana1y_sis of a Technique for Tuning a Can_ti1iver Beam Resonator Using Shunt Switching［J］. Smart Materia1s and St_ructures，2007（16）：1527_1533.

［8］Shahruz S M.Design of mechnica1 band_pass fi1ters with 1arge frequency bands for energy scavening［J］.Mechatronics，2006（16）：523_531.

Deslgn of a self-PoWered PoWer based on Plezoelectrlc energy harVestlng technology

CHEN Zhi_min，RONG Xun，CAO Guang_zhong
（Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control，College of Mechanics and Control Engineering Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）

In view of the power supp1y prob1em of wire1ess sensor network nodes in environmenta1 and industria1 detection region，a design scheme of a se1f_powered power based on piezoe1ectric energy harvesting techno1ogy was proposed.This Scheme using piezoe1ectric energy harvester to convert mechanica1 vibration into e1ectrica1 energy，based on the LTC3588_1 power management chip to set vo1tage transformation and energy storage circuit，obtained the DC power for sensor's operation.Experimenta1 resu1ts show that the se1f_powered power can provide energy for 1ow_power wire1ess sensor network node，and wi11 have prospects.

piezoe1ectric energy harvesting techno1ogiesjwire1ess sensor network nodesjenergy harvesting circuitjse1f_powered

TN712.5

A

1674_6236（2016）10_0105_03

2015_06_18稿件編號：201506188

國家自然科學基金（51275312）；深圳市戰(zhàn)略新興產業(yè)發(fā)展專項資金（JCYJ20140418182819160）作者簡介：陳志敏（1990—），男，湖北武穴人，碩士研究生。研究方向：壓電能量收集技術。