壓電能量收集系統及其應用研究

夏奧++++孫勇智

摘 要：隨著微機電系統（MEMS）的發展，無線傳感網絡使用越來越廣泛。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，針對CC2541低功耗藍牙模塊，設計出能量存儲方案，實現了設備的“無源”供電。

關鍵詞：壓電發電；能量收集；LTC-3588；電容器；低功耗；藍牙

0 引言

隨著無線通訊與微機電系統（MEMS）的不斷發展，使得分布式微電子設備、微傳感器等等微型機電系統的應用范圍不斷擴大，這些應用包括為健康監測的分布式傳感器節點、大型系統的電池監測、汽車輪胎壓力監測系統等。在很多情況下，這些系統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的體積，限制了系統的進一步微型化；（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境有害的鉛、鎘、汞等多種物質。因此，人們開始研究各種能量收集技術，作為電池的替代品，某些特殊的應用領域替代電池或自動為電池充電。用于微功率電子產品供電的各種能量收集技術的研究已成為國際上的一個研究熱點。

1 壓電陶瓷發電

壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應。所謂正壓電效應是指晶體由于機械應力的作用而使其介質化，并使其表面荷電的效應。反之，當外加電場于晶體時，晶體會產生形變，這邊稱之為逆壓電效應。壓電發電是利用壓電材料的正壓電效應將機械振動能量轉變為電能，為網絡傳感器等微機電系統供。

壓電發電有很多優點：結構簡單、無電磁干擾、不發熱、易于加工制作易于實現結構上的微型化、集成化等。這些特點決定了壓電發電特別適用于為監測系統、傳感器和微電子設備供能。

壓電陶瓷具有壓電性，即某些各向異性的晶體，在機械力作用下，產生形變，使帶電粒子發生相對位移，從而在晶體表面出現正負束縛電荷將其所產生的電荷用電容器或微電池等儲存起來，然后通過設計的控制電路，可輸出穩定的電流或電。本系統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

目前關于壓電能量收集電路設計中，采用的方案大多都是電荷捕捉電路，交流信號經過整流、濾波、調壓和穩壓后進行儲存，但這樣的設計較為復雜，而且在線路中的能量損耗較高，可攝取的有效能量很。

本設計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換器，通過壓電傳感器收集環境中的振動能量，然后將這種能量轉換成良好的調節輸出。LTC-3588輸入電壓為2.7～20V，通過數字位D0、D1可設定輸出電壓1.8V、2.5V、3.3V、3.6V，對應的靜態輸出電流僅有44nA、62nA、81nA、89nA。

通過對陶瓷壓電片的不斷按壓，壓電片產生的能量通過LTC-3588的PZ1、PZ2引腳輸入，經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移到輸出電容上，當低于上限值時，然后關閉；如此往復，陶瓷壓電片產生的的微弱的能量收集到電容器上存儲起來。LTC-3588內部電路如圖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VIN端的存儲電容選取過小，此時經過整流橋之后的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，不足以提供負載工作。當VIN端的存儲電容選取較大，電壓上升時間過長，VIN端的電壓將經過很長一段時間才能達到設定值。關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 壓電能量收集應用實例

本文在基于LTC-3588壓電能量收集電路的基礎上，采用低功耗藍牙芯片CC2541作為無線通信模塊，實現點對點通信。系統結構框圖如圖3所示。

3.1 陶瓷壓電片

本系統采用的壓電片為陶瓷壓電片。基片材質為黃銅#CW617N，壓電陶瓷材質為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，給無線節點供電的性能也越好。陶瓷壓電片按壓發電如圖4示。

3.2 LTC-3588能量收集

LTC-3588能量收集電路輸入端濾波儲能電容選用100uF/6V，輸出端存儲電容選用330uF/6V，設定輸出電壓為3.3V；通過對壓電片的不間斷的按壓，儲能電容兩端存儲的電荷越來越多，當電壓高于UVLO時，給輸出電容充電，輸出端一點點增加到設定值3.3V，電容收集電路在60μ90s內能將電容充滿電。充電過程如圖5所示，CH1通道為輸入端存儲電容端電壓，CH2為輸出端存儲電容端電壓。

3.3 CC2541藍牙模塊

CC2541是TI公司推出的一款基于C51內核的超低功耗的藍牙芯片，使用3.3V供電，在工作模式下最低只需要8mA的電流，休眠模式下僅需要0.5μA。由于藍牙模塊廣播時最低需要8mA的電流，實驗過程藍牙模塊最大廣播時間設置為10s，一旦連接上，每五分鐘發送一次數據，發送數據是消耗電流為8mA，其余時間為待機狀態，待機消耗電流為1～10μA。

4 結束語

本文研究了壓電能量收集方案及其應用實例，主要針對壓電陶瓷片的震動或按壓方式進行壓力發電，將產生的微弱能量通過能量收集電路收集存儲起來，作為電源給無線節點或其他低功耗設備供電。能量收集采用LTC-3588微弱能量收集芯片進行收集存儲，能夠有效的降低整流電路的損耗并提高效率，可設定輸出電壓；無線模塊采用低功耗CC2541藍牙芯片，實現了設備之間的無線通信功能。本文最大的優點就是為無線節點等設備實現了能量的的自給自足，不在需要外部電源或者電池供電，解決了目前無線終端或其他設備經常需要更換電池或者定期充電的困擾。