壓電能量收集系統(tǒng)及其應(yīng)用研究

壓電能量收集系統(tǒng)及其應(yīng)用研究 　　摘 要：隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)使用越來越廣泛。本文簡要介紹了采用壓電陶瓷片作為能量來源，提出一種基于高效的微弱能量收集芯片LTC-3588的能量收集方案；通過對比試驗(yàn)，針對CC2541低功耗藍(lán)牙模塊，設(shè)計(jì)出能量存儲方案，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的“無源”供電 關(guān)鍵詞：壓電發(fā)電；能量收集；LTC-3588；電容器；低功耗；藍(lán)牙 0 引言 隨著無線通訊與微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的不斷發(fā)展，使得分布式微電子設(shè)備、微傳感器等等微型機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，這些應(yīng)用包括為健康監(jiān)測的分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、大型系統(tǒng)的電池監(jiān)測、汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)等。在很多情況下，這些系統(tǒng)不能使用電纜或電線供電，電池（鎳氫電池、鋰聚合物電池）供電也受到很多限制，甚至是不可使用。其中原因有：（1）電池的使用增加了系統(tǒng)的體積，限制了系統(tǒng)的進(jìn)一步微型化；（2）二是供能壽命有限，使用一段時間后需要更換電池或者充電；（3）一些場合如易燃易爆等危險情況下的更換問題難以解決；（4）電池本身還包含對身體或環(huán)境有害的鉛、鎘、汞等多種物質(zhì)。因此，人們開始研究各種能量收集技術(shù)，作為電池的替代品，某些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域替代電池或自動為電池充電。用于微功率電子產(chǎn)品供電的各種能量收集技術(shù)的研究已成為國際上的一個研究熱點(diǎn) 1 壓電陶瓷發(fā)電 壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。所謂正壓電效應(yīng)是指晶體由于機(jī)械應(yīng)力的作用而使其介質(zhì)化，并使其表面荷電的效應(yīng)。反之，當(dāng)外加電場于晶體時，晶體會產(chǎn)生形變，這邊稱之為逆壓電效應(yīng)。壓電發(fā)電是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機(jī)械振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，為網(wǎng)絡(luò)傳感器等微機(jī)電系統(tǒng)供 壓電發(fā)電有很多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、無電磁干擾、不發(fā)熱、易于加工制作易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微型化、集成化等。這些特點(diǎn)決定了壓電發(fā)電特別適用于為監(jiān)測系統(tǒng)、傳感器和微電子設(shè)備供能 壓電陶瓷具有壓電性，即某些各向異性的晶體，在機(jī)械力作用下，產(chǎn)生形變，使帶電粒子發(fā)生相對位移，從而在晶體表面出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷將其所產(chǎn)生的電荷用電容器或微電池等儲存起來，然后通過設(shè)計(jì)的控制電路，可輸出穩(wěn)定的電流或電。本系統(tǒng)采用壓電陶瓷作為能量源，提出了一種壓電能量收集裝置 2 LTC-3588能量收集電路 目前關(guān)于壓電能量收集電路設(shè)計(jì)中，采用的方案大多都是電荷捕捉電路，交流信號經(jīng)過整流、濾波、調(diào)壓和穩(wěn)壓后進(jìn)行儲存，但這樣的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，而且在線路中的能量損耗較高，可攝取的有效能量很 本設(shè)計(jì)采用凌力爾特的微弱能量收集芯片LTC-3588。LTC-3588集成一個低損耗、全波橋式整流器和一個高效率降壓型轉(zhuǎn)換器，通過壓電傳感器收集環(huán)境中的振動能量，然后將這種能量轉(zhuǎn)換成良好的調(diào)節(jié)輸出。LTC-3588輸入電壓為2.7～20V，通過數(shù)字位D0、D1可設(shè)定輸出電壓1.8V、2.5V、3.3V、3.6V，對應(yīng)的靜態(tài)輸出電流僅有44nA、62nA、81nA、89nA 通過對陶瓷壓電片的不斷按壓，壓電片產(chǎn)生的能量通過LTC-3588的PZ1、PZ2引腳輸入，經(jīng)過四個超低壓降的二極管整流橋整流，再通過電容器將電荷存貯在電容器上，一旦電容器上充電電壓達(dá)到低電壓欠流檢測（UVLO）上限時，LTC-3588的降壓控制器（Buck Control）打開MOS管，將電容器上的電荷轉(zhuǎn)移到輸出電容上，當(dāng)?shù)陀谏舷拗禃r，然后關(guān)閉；如此往復(fù)，陶瓷壓電片產(chǎn)生的的微弱的能量收集到電容器上存儲起來。LTC-3588內(nèi)部電路如圖1所示 在使用LTC-3588作為壓電能量收集使用時，輸入存儲電容和輸出存儲電容的選取十分重要，當(dāng)VIN端的存儲電容選取過小，此時經(jīng)過整流橋之后的VIN電壓將迅速升高至高于UVLO，BUCK打開MOS管將能量傳送到輸出端，由于存儲的能量很小，不足以提供負(fù)載工作。當(dāng)VIN端的存儲電容選取較大，電壓上升時間過長，VIN端的電壓將經(jīng)過很長一段時間才能達(dá)到設(shè)定值。關(guān)于輸出端存儲電容器選擇，也不能過大或者過小，過大則上升時間過長過小則負(fù)載無法工作。LTC-3588能量收集電路如圖2所示 3 壓電能量收集應(yīng)用實(shí)例 本文在基于LTC-3588壓電能量收集電路的基礎(chǔ)上，采用低功耗藍(lán)牙芯片CC2541作為無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示 3.1 陶瓷壓電片 本系統(tǒng)采用的壓電片為陶瓷壓電片?；馁|(zhì)為黃銅#CW617N，壓電陶瓷材質(zhì)為P8-1，輸出電壓為0～48V，輸出電流1～100μA，諧振阻抗小于100oHm，尺寸為40mm×30mm壓電陶瓷片的形變越大，輸出的能量越多，整流后的電壓越高，可采集的能量越多，電容器可存儲的能量也越多，給無線節(jié)點(diǎn)供電的性能也越好。陶瓷壓電片按壓發(fā)電如圖4示 3.2 LTC-3588能量收集 LTC-3588

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