基于压电能量收集技术的自供电电源设计

陈志敏，荣训，曹广忠

（深圳大学机电与控制工程学院深圳电磁控制重点实验室，广东深圳518060）

基于压电能量收集技术的自供电电源设计

陈志敏，荣训，曹广忠

（深圳大学机电与控制工程学院深圳电磁控制重点实验室，广东深圳518060）

针对环境和工业检测领域小型无线传感器网络节点的供电问题，提出了一种基于压电能量收集技术的自供电电源设计方案。利用压电能量收集器将机械振动能转换为电能，基于LTC3588_1电源管理芯片搭建电压变换及能量存储电路，获得可供传感器工作的直流电源。实验结果表明，设计的基于压电能量收集技术的自供电电源可为低功耗无线传感器网络节点提供电能，具有应用前景。

压电能量收集技术；无线传感器网络节点；能量收集电路；自供电

微机电系统和低能耗嵌入式系统的飞速发展，使得无线传感器网络技术应运而生。无线传感器网络节点是无线传感器网络的基本功能单元，通常是带有传感器和无线收发器的微机系统，可用于测量环境中的多种参量，包括温度、压力、湿度、日射率以及复杂的图像、音频和视频等。目前，无线传感器网络应用集中在环境和工业检测领域，间隔数秒或数小时的检测结果反映了某一过程或现象的时间变化规律。传感器的节点分布众多，无线传感器网络中的节点一般用电池供电，可使用的电量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的。因此，为无线传感器网络节点的寻找替代化学电池的自供电电源可以有效解决这些问题。通常，这些节点具有以下特征［1］：

1）具有较低占空比。

2）休眠状态时具有较低功率（10～300 μW）。

3）工作状态（轮询、发送、接收）具有较高功率，一般在500 μW到600 μW之间，如果包括无线收发单元在内，最终的功率通常在2 mW到3 mW之间。脉冲持续时间短，在500 ms或更低。

鉴于无线传感器网络节点的这些供能问题及特征，本文提出一种基于压电能量收集技术的自供电电源设计方案。电源包括压电能量收集器以及利用LTC3588_1电源管理芯片为核心组成的电压变换存储电路，研究了压电能量收集器在谐振状态下，压电能量收集器的输出电压、电流和自供电电源的输出功率。

1　压电能量收集器结构及工作原理

压电材料具有正压电效应和逆压电效应，其中正压电效应是实现机电能量转化的基础。目前应用较多的压电材料为锆钛酸铅压电陶瓷。根据压电陶瓷材料的正压电效应：当压电陶瓷材料受外力作用时，由于极化电场的存在，导致上、下两表面有正、负电荷产生，反向施加压力则会产生相反的电荷，外力撤除，电荷消失。压电陶瓷的发电原理正是利用压电材料的正压电效应将机械振动转化为电能［2_3］。通常，根据应用需求，可以使用压电陶瓷材料和金属弹性层组成不同种类的压电能量收集器，例如，层叠结构，压电双晶片结构，膜结构或者螺旋弹簧结构，每种结构都由其各自的优点和设计的局限性。

文中压电能量收集器采用电极并联的压电双晶片悬臂梁结构，结构如图1所示。其中，压电双晶片采用PZT_5H压电陶瓷，金属弹性层采用#CW617N黄铜材料。

图1　压电能量收集器结构图

悬臂梁结构的压电能量收集器发电原理主要基于第一类压电线性本构方程，其边界条件为机械自由、电学短路情况［4］：

式中，S1为机械应变，T1为机械应力，D3为电位移，E3为电场强度。cE11为压电层在恒电场条件下的弹性刚度常数，d31为压电常数，εT33为介电常数。

2　自供电电源电路设计

自供电电源电路将压电能量收集器产生的电能进行整流降压，变换后的电能利用存储装置存储供给负载使用。

2.1传统的自供电电源电路

基于压电能量收集技术的自供电电源电路一般包括整流电路、滤波电路和降压电路。传统的自供电电源电路主要包括标准AC_DC收集电路、电荷同步获取电路和电感同步开关电路［5］。存储装置采用电容或充电电池进行能量存储，然而在多数情况下，由于电能的输出过小，电路能耗过大，这些电路都不能为电子元件直接供电。

2.2新型的自供电电源电路

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，本文基于压电能量收集技术的新型自供电电源电路采用LTC3588_1电源管理芯片将压电能量收集器产生的交流电进行整流和稳压，然后给传感器供电。系统框图如图2所示。

图2　压电能量收集系统框图

LTC3588_1是美国凌力尔特公司推出的新型电源管理模块，以优化对低压电源的管理。LTC3588_1内部电路的可以分为4个模块：输入端整流限压模块、滤波模块、DC_DC稳压模块。输入端整流限压模块主要是对AC_DC交流转直流的处理，同时对于转换后的直流电压进行限压，避免由于电压过高导致其它模块的损坏。滤波模块是去除转换后尚存的直流的毛刺，稳压分为稳压控制模块以及降压型DC_DC转换器。整流模块采用了桥式整流的方式，相比于半波整流，全波整流大幅改善了电能利用率，简化了电路的复杂度。PZ1、PZ2的输入既可以是交流也可以是直流，使之可以满足更多的场合。同时，Vin端接地的稳压二极管使得转化后的电压控制在20 V以内，起保护电路的作用。

LTC3588_1的输入电压为2.7～20 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。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。该芯片有11个引脚，当D1为高电平，D0为高电平时，其输出电压为3.6 V。当需要电源输出电压大于3 V，压电能量收集器的输出电压要大于4.7 V。电源电路如图3所示。

图3　电源管理电路

3　实验与结果分析

3.1压电能量收集器特征频率测定

压电能量收集器将机械振动能量转化为电能，当压电器件特征频率和外部激励信号频率一致时，能量收集器的输出功率最大。然而，如果驱动信号频率偏离器件特征频率5%以上，收集能量迅速减少［6_8］。因此，获得压电能量收集器的特征频率，使得外部激励与其产生谐振，可得到最佳输出功率。本文通过实验的方法，测得收集器的开路电压、短路电流与激励频率的关系分别如图5、图6所示。用于实验的压电双晶悬臂梁几何及材料参数如表1、表2所示。

表1　压电双晶悬臂梁几何参数表

表2　压电双晶悬臂梁材料参数表

3.2电源性能测试与分析

由图4，图5可知，当外部激励信号约为17 Hz时，能量收集器处于最佳工作状态。因此，文中激振器的驱动信号为17 Hz的简谐正弦信号，当电源电路负载为纯电阻负载时，测得电源输出功率如图6所示。

图4　能量收集器开路电压与激振频率的关系

图5　能量收集器短路电流与激振频率的关系

图6　纯电阻负载时电路输出功率

由图6可知，电源的输出功率最大可以到3.2 mw。如果无线传感器网络节点采用间断工作方式，电源能够在短时间内输出更大的功率。实际测试中，本文采用TTP223B单键触摸式传感器模块和F05P无线发射传感器模块，实验原理图如图7所示。常态下，TTP223B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秒没有触摸时，模式又切换为低功耗模式，模块供电电源为DC2V～5.5 V；F05P是一款低成本、小体积、低功耗的ASK无线发射模块，内部具有一级调制电路及限流电阻，无数据时休眠，并且具有较宽的工作电压范围，供电电压为DC3～12 V，适合短距离的无线数据传输。文中实验采用DG1022信号发生器为GF20_2功率放大器提供信号，从而驱动JZQ_5B型激振器振动产生外部激励。采用DS1042C数字示波器检测电压波形，无线传输实验实测平台如图8所示。

图7　无线传输实验电路原理图

图8　触摸传感器实测平台

在实际测试中，触摸传感器处于工作状态时，data引脚输出高电平，无线传感器将触摸传感器的信号发射出去，由接收模块接收，来实现无线传感器的无线传输。触摸传感器在待机状态其电流为3～5 μA，工作时它的电流为0.6～1.4 mA，J05P待机时的电流为1 μA左右，工作时的电流为0.2～0.4 mA。模块持续工作时间大约只有1 s左右。间隔一段时间后，模块可以继续正常工作。

4　结束语

本文提出的基于压电能量收集技术的无线传感器网络节点的自供电电源设计方案，所设计的电源在压电能量收集器处于谐振状态下，纯负载时的输出最大功率可达到3.2mw。实验结果表明，与传统的自供电电源电路相比，利用LTC3588_ 1电源管理芯片搭建的电压变换及能量存储电路减少了充电时间，降低了功耗，且提高了带负载能力，实现了无线传感器网络节点的自供电，具有应用前景。

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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稿件编号：201506188

国家自然科学基金（51275312）；深圳市战略新兴产业发展专项资金（JCYJ20140418182819160）作者简介：陈志敏（1990—），男，湖北武穴人，硕士研究生。研究方向：压电能量收集技术。