振动能量收集电源电路设计方案

电源

近些年，无线传感器网络发展迅速，被广泛应用在环境、安全、过程控制和健康监视等领域，改善了资源的利用效率，实现了自然环境和工程控制的智能化，提高了公共领域的安保水平，深刻影响着人类社会的方方面面。但是，大量的无线传感器节点也带来了一些亟待解决的问题，特别是对能源的需求。而且，在许多应用领域，为了降低成本，无线传感器节点被设计为低成本、低维护周期的设备，这就对传感器校准、恶劣环境下的封装设计、特别是电源供电提出了更大的挑战。随着科技的发展，虽然电池技术性能已经得到很大改进，但是依然无法跟上无线传感器对能源需求的增长速度。基于这个原因，从外部环境获取能量给无线传感器供电成为当前的研究热点。正在开发的各种新型环境能源主要包括太阳能、热能、振动能和射频能。振动能量作为自然环境中普遍存在的一种机械能，受外界条件限制较少，收集利用便捷，是无线传感器网络替代能源的理想选择。

　　1 振动能量收集原理

　　振动能量收集器通常采用压电材料实现振动能到电能的转换。将振动能量收集器以悬梁臂的结构固定在振动源上，当产生机械振动时，压电晶体发生形变，在回路中产生电流，随着振动方向的变化，电流的方向也跟着改变。因此，可以建立以理想电流源为基础的电路模型，如图1所示。它包含一个正弦电流源i（t）、一个内部电容Cp和一个内部电阻Rp。其中，i（t）=Ipsin（2πft），Ip的大小由振幅决定，f表示振动频率，Cp和Rp是与振动频率没有关系的常量，而且Rp的阻值总是非常大。过去的研究表明，压电材料的输出电压（电流）取决于材料的几何尺寸、压电特性、机械振动强度和输出阻抗[2]。

　　2 振动能量收集优化分析

　　由于振动能量收集器输出的是交流电压（电流）信号，所以首先要使用整流电路将其转换为直流电压，如图2所示。其中，Cs是存储电容，用于累积收集的电量，i0（t）表示整流电路输出电流值，Vs表示整流电路输出电压值

　　由电路分析可知，整流电路的平均输出电流为：

　　此时，Vs称之为振动能量收集器整流输出电压的最优值，影响因素包括Ip、f和Cp。而Ip又取决于振动幅度，f代表振动频率，Cp由压电材料特性决定，可以认为是一个常量。由此可以推出，振动能量收集器输出的交流电压（电流）信号存在一个最优值，且由振动幅度、频率和压电材料特性决定。所以，振动能量收集器的生产厂商一般会给出特定振动频率下，收集器输出功率与工作电压和振动幅度的关系曲线。以测试采用的MIDE公司生产的VOLTURE系列振动能量收集器V25W为例，振动频率为40 Hz时，振动幅度分别为0.25 g、0.375 g、0.5 g和1.0 g的情况下，使输出功率最大化的等效开路电压分别为4 V、7 V、8 V和15 V。

　　3 振动能量收集电源设计

　　收集到的电能转换为直流后，还需要经过稳压电路才能供负载使用。传统的方法中，整流电路和稳压电路采用整流二极管、存储电容、保护二极管和三端稳压器等分立器件组合而成，电路调试难度大，转换效率低下[4]。凌力尔特公司最近生产出一款专用于振动能量收集的电源芯片LTC3588-2，内部集成了整流桥、稳压及控制电路，由它构成的电源电路非常简单，如图3所示。其中，PZ1和PZ2引脚连接振动能量收集器，D0和D1引脚用于选择输出电压值（3.45 V、4.1 V、 4.5 V、5.0 V可选），此电路选择为5.0 V输出，Pgood引脚作为稳压电源“准备好”的提示信号。

　　电路使用的元器件中，比较关键的是输入端存储电容Cs的选择。在振动能量收集电路中，存储电容最重要的特点是低泄漏电流，而等效串联电阻值并不重要，考虑泄漏电流、充电能力和电气参数稳定性等指标对电路的影响，TRJ系列钽电容是振动能量收集的最佳选择[5]，所以Cs选择容量为22 ?滋F、耐压25 V的TRJ钽电容。

　　4 测试与结论

　　使用振动台作为振动源模拟环境振动，选用振动频率40 Hz、振动幅度1.0 g的MIDE公司的V25W振动能量收集器以悬梁臂的结构固定在振动台上，并在其末端粘贴约16 g的重物，用于将收集器自身频率调节到40 Hz，以匹配振动源频率。

　　振动台起振后，振动能量收集器输出的交流电压非常平滑，符合正弦信号的特征，其峰峰值大约13 V，非常接近输出功率最大时的开路电压，信号周期25 ms，频率与振动源频率一致。

　　LTC3588-2将交流电压转换成直流电压后给输入端存储电容Cs充电，Cs两端电压Vs慢慢爬升，一旦越过上升沿门限电压（16 V），芯片打开其内部稳压电路，将Cs上的电荷搬移到输出端存储电容C2上，输出电压VO瞬间爬升到5 V，给负载供电。与此同时，“准备好”信号Pgood置为高电平，提示稳压电源可以使用。当Vs由于电荷的搬移下降到下降沿门限电压后，芯片关闭其内部稳压电路，停止搬运Cs上的电荷，使Cs两端的电压再次慢慢爬升。

　　测试结果表明，合理安装振动能量收集器并连接到开发的电源电路板，能够产生断续的5 V稳定电压，可以广泛用于低功耗、短工作时间的无线传感器设备上。