摘 要： 利用凌力爾特推出的電源集成芯片LTC3588-2，設計出適用振動能量收集的高集成度電源電路。根據壓電材料能量收集器特性，建立了以理想電流源為基礎的電路模型，用于電路仿真。通過調節收集器自身的振動頻率，以及使用具備微弱泄漏電流特點的電容，使振動能量到電能的轉換效率最大化。測試結果表明，該電源可以斷續輸出5 V的穩定電壓，為低功耗、短工作時間的無線傳感器設備供電。
關鍵詞： 振動；能量采集；電源
0 引言
近些年，無線傳感器網絡發展迅速，被廣泛應用在環境、安全、過程控制和健康監視等領域，改善了資源的利用效率，實現了自然環境和工程控制的智能化，提高了公共領域的安保水平，深刻影響著人類社會的方方面面。但是，大量的無線傳感器節點也帶來了一些亟待解決的問題，特別是對能源的需求。而且，在許多應用領域，為了降低成本，無線傳感器節點被設計為低成本、低維護周期的設備，這就對傳感器校準、惡劣環境下的封裝設計、特別是電源供電提出了更大的挑戰。隨著科技的發展，雖然電池技術性能已經得到很大改進，但是依然無法跟上無線傳感器對能源需求的增長速度。基于這個原因，從外部環境獲取能量給無線傳感器供電成為當前的研究熱點。正在開發的各種新型環境能源主要包括太陽能、熱能、振動能和射頻能。振動能量作為自然環境中普遍存在的一種機械能，受外界條件限制較少，收集利用便捷，是無線傳感器網絡替代能源的理想選擇[1]。
1 振動能量收集原理
振動能量收集器通常采用壓電材料實現振動能到電能的轉換。將振動能量收集器以懸梁臂的結構固定在振動源上，當產生機械振動時，壓電晶體發生形變，在回路中產生電流，隨著振動方向的變化，電流的方向也跟著改變。因此，可以建立以理想電流源為基礎的電路模型，如圖1所示。它包含一個正弦電流源i（t）、一個內部電容Cp和一個內部電阻Rp。其中，i（t）=Ipsin（2πft），Ip的大小由振幅決定，f表示振動頻率，Cp和Rp是與振動頻率沒有關系的常量，而且Rp的阻值總是非常大。過去的研究表明，壓電材料的輸出電壓（電流）取決于材料的幾何尺寸、壓電特性、機械振動強度和輸出阻抗[2]。
2 振動能量收集優化分析
由于振動能量收集器輸出的是交流電壓（電流）信號，所以首先要使用整流電路將其轉換為直流電壓，如圖2所示。其中，Cs是存儲電容，用于累積收集的電量，i0（t）表示整流電路輸出電流值，Vs表示整流電路輸出電壓值
由電路分析可知，整流電路的平均輸出電流為：
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此時，Vs稱之為振動能量收集器整流輸出電壓的最優值，影響因素包括Ip、f和Cp。而Ip又取決于振動幅度，f代表振動頻率，Cp由壓電材料特性決定，可以認為是一個常量。由此可以推出，振動能量收集器輸出的交流電壓（電流）信號存在一個最優值，且由振動幅度、頻率和壓電材料特性決定。所以，振動能量收集器的生產廠商一般會給出特定振動頻率下，收集器輸出功率與工作電壓和振動幅度的關系曲線。以測試采用的MIDE公司生產的VOLTURE系列振動能量收集器V25W為例，振動頻率為40 Hz時，振動幅度分別為0.25 g、0.375 g、0.5 g和1.0 g的情況下，使輸出功率最大化的等效開路電壓分別為4 V、7 V、8 V和15 V。
3 振動能量收集電源設計
收集到的電能轉換為直流后，還需要經過穩壓電路才能供負載使用。傳統的方法中，整流電路和穩壓電路采用整流二極管、存儲電容、保護二極管和三端穩壓器等分立器件組合而成，電路調試難度大，轉換效率低下[4]。凌力爾特公司最近生產出一款專用于振動能量收集的電源芯片LTC3588-2，內部集成了整流橋、穩壓及控制電路，由它構成的電源電路非常簡單，如圖3所示。其中，PZ1和PZ2引腳連接振動能量收集器，D0和D1引腳用于選擇輸出電壓值（3.45 V、4.1 V、 4.5 V、5.0 V可選），此電路選擇為5.0 V輸出，Pgood引腳作為穩壓電源“準備好”的提示信號。
電路使用的元器件中，比較關鍵的是輸入端存儲電容Cs的選擇。在振動能量收集電路中，存儲電容最重要的特點是低泄漏電流，而等效串聯電阻值并不重要，考慮泄漏電流、充電能力和電氣參數穩定性等指標對電路的影響，TRJ系列鉭電容是振動能量收集的最佳選擇[5]，所以Cs選擇容量為22 ?滋F、耐壓25 V的TRJ鉭電容。
4 測試與結論
使用振動臺作為振動源模擬環境振動，選用振動頻率40 Hz、振動幅度1.0 g的MIDE公司的V25W振動能量收集器以懸梁臂的結構固定在振動臺上，并在其末端粘貼約16 g的重物，用于將收集器自身頻率調節到40 Hz，以匹配振動源頻率。
振動臺起振后，振動能量收集器輸出的交流電壓非常平滑，符合正弦信號的特征，其峰峰值大約13 V，非常接近輸出功率最大時的開路電壓，信號周期25 ms，頻率與振動源頻率一致。
LTC3588-2將交流電壓轉換成直流電壓后給輸入端存儲電容Cs充電，Cs兩端電壓Vs慢慢爬升，一旦越過上升沿門限電壓（16 V），芯片打開其內部穩壓電路，將Cs上的電荷搬移到輸出端存儲電容C2上，輸出電壓VO瞬間爬升到5 V，給負載供電。與此同時，“準備好”信號Pgood置為高電平，提示穩壓電源可以使用。當Vs由于電荷的搬移下降到下降沿門限電壓后，芯片關閉其內部穩壓電路，停止搬運Cs上的電荷，使Cs兩端的電壓再次慢慢爬升。
測試結果表明，合理安裝振動能量收集器并連接到開發的電源電路板，能夠產生斷續的5 V穩定電壓，可以廣泛用于低功耗、短工作時間的無線傳感器設備上。
參考文獻
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