一種自供能壓電能量收集系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

趙宇恒 ，梁俊睿 ，趙 康

（1.中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所上海200050；2.上海科技大學(xué)上海201210）

壓電能量收集技術(shù)將環(huán)境中廣泛存在的振動能量收獲、集中、并轉(zhuǎn)換為可利用的電能，為諸如可穿戴式健康檢測、監(jiān)測設(shè)備和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等低功耗設(shè)備供電[1-4]。壓電能量收集最簡單的接口電路為傳統(tǒng)的橋式整流電路，也稱為標(biāo)準(zhǔn)俘能接口電路（Standard Energy Harvesting，SEH）。文獻(xiàn)[5]中首次提出并聯(lián)同步開關(guān)（Parallel Synchronized Switching Harvesting on Inductor，PSSHI）接口電路。相對于簡單的SEH，基于SSHI接口電路在理想條件下可大幅度提高機(jī)電等效耦合系數(shù)，使壓電能量收集能力大幅提升達(dá)900%。隨后基于這種同步開關(guān)技術(shù)的各類研究論文大量涌現(xiàn)，以進(jìn)一步提高能量收集功率，如同步電荷提取[6]、預(yù)偏置[7-9]、能量投入與回收[10-11]，同步電壓多次翻轉(zhuǎn)[12]；或改善能量收集動態(tài)特性[13-15]。

然而，這類電路均需要一種稱為“同步電壓翻轉(zhuǎn)”的控制過程，需要對壓電換能器輸出電流進(jìn)行過零檢測或電壓的極值檢測，以往的研究幾乎都采用額外的位移傳感器、運(yùn)算比較放大電路和微控制器以驅(qū)動有源開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，顯然這些功能模塊都需要外部供電，其耗能在一些應(yīng)用場景中甚至超過收集到的能量。為了解決該問題，文獻(xiàn)[16]首次提出了一種自供電壓電能量接口電路SP-SSHI（Self-Powered SSHI），自動實(shí)現(xiàn)電壓極值檢測與同步電壓翻轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)[16]提出了具有互補(bǔ)對稱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型串聯(lián)SP-SSHI，提供了改進(jìn)型SP-SSHI工作原理的詳細(xì)分析與電路的設(shè)計公式。然而文獻(xiàn)[17]僅在單頻正弦諧振激勵下對單自由度懸臂梁壓電結(jié)構(gòu)的收集功率進(jìn)行了詳細(xì)的分析，負(fù)載也僅為單純的電阻，缺少整體的系統(tǒng)設(shè)計與連接實(shí)際負(fù)載（如無線傳感器）條件下性能表現(xiàn)的分析。實(shí)際壓電能量收集系統(tǒng)所處的環(huán)境激勵通常是無規(guī)則的隨機(jī)振動或者是一系列的沖擊振動，目前鮮有相關(guān)研究指出SP-SSHI接口電路在這類振動激勵下的性能表現(xiàn)，基于SP-SSHI的壓電能量收集系統(tǒng)的設(shè)計較少。

文中根據(jù)文獻(xiàn)[17]提出一種改進(jìn)型的并聯(lián)型SP-SSHI，并基于此設(shè)計用于低功耗無線傳感器的自供能壓電能量收集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷在無規(guī)則振動激勵及無額外傳感器條件下，不間斷為一低功耗藍(lán)牙傳感器供電。

1 同步電壓翻轉(zhuǎn)

在壓電能量收集領(lǐng)域中被廣泛使用與研究的SSHI接口電路的工作原理可歸結(jié)于一種叫做“同步電壓翻轉(zhuǎn)”（Synchronized voltage bias-flip）的過程（如圖1）：當(dāng)壓電換能器輸出電流過零點(diǎn)或者電壓達(dá)到極值點(diǎn)時（根據(jù)壓電換能器的特性可判斷此時電流過零），通過電子開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將Cp連接到一電感Li，利用RLC串聯(lián)諧振欠阻尼下的瞬態(tài)響應(yīng)特性，電壓vp將在ΔT內(nèi)，從V0快速翻轉(zhuǎn)至第一個極值點(diǎn)V1（如圖1所示），其中ΔT為

同步電壓翻轉(zhuǎn)系數(shù)γ定義為：

圖1 同步電壓翻轉(zhuǎn)瞬態(tài)波形

其僅與LiCp諧振回路的品質(zhì)因素Q有關(guān)。Vb為電壓翻轉(zhuǎn)過程的參考電壓，對并聯(lián)型P-SSHI，Vb=0而對串聯(lián)型SSHI，Vb為負(fù)載電壓Vo。由于該過程相對于環(huán)境中的機(jī)械振動周期極短，此時可近似認(rèn)為電壓vp與電流ieq同相。

傳統(tǒng)有源功率因素矯正電路的性能與特性通常在頻域的特定諧波頻率下分析。但現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的機(jī)械振動是寬帶、無規(guī)律甚至是完全隨機(jī)的白噪聲。同步電壓翻轉(zhuǎn)利用壓電換能器容性阻抗的特點(diǎn)，根據(jù)電流過零點(diǎn)，直接對時域電壓波形進(jìn)行矯正，適用于無規(guī)律機(jī)械振動條件下，壓電能量收集功率因素的提高。

2 壓電接口電路

文中所提出的壓電接口電路基于文獻(xiàn)[17]的串聯(lián)型SP-SSHI的變形電路：并聯(lián)型SP-SSHI。如圖2所示，該壓電接口電路可大致分為3個部分：壓電換能器、電壓翻轉(zhuǎn)支路和能量收集支路（也即橋式整流電路），3個部分以并聯(lián)方式連接。電壓翻轉(zhuǎn)支路即并聯(lián)型SP-SSHI電路由3個部分組成：包絡(luò)檢測器、電壓比較器和雙向開關(guān)。串聯(lián)型SP-SSHI電路結(jié)構(gòu)與前者類似，不同之處在于位于能量收集支路的負(fù)載串接T1、T2公共節(jié)點(diǎn)與電感L之間，兩種電路在壓電材料開路輸出電壓Voc遠(yuǎn)大于二極管導(dǎo)通壓降VF條件下，最大輸出功率隨Voc的進(jìn)一步增大分別逼近理想P-SSHI和S-SSHI，其最大輸出功率可表達(dá)為

圖2 并聯(lián)型SP-SSHI壓電接口電路

其中Io為壓電等效電流源幅值，ω為激勵振動角頻率。在實(shí)際應(yīng)用中，品質(zhì)因素Q約為5，P-SSHI和S-SSHI的最大輸出功率輸出之比約為1，串聯(lián)型SP-SSHI與并聯(lián)型SP-SSHI的最大能量收集功率理論上限可認(rèn)為相等。

下面介紹并聯(lián)型SP-SSHI正半周期基本工作原理，每個階段電路不工作的部分被隱藏以突出電路各工作過程的電流（能量）流動。如圖3所示，SPSSHI半個周期的工作過程可大致分為4個階段：

1）開路階段，圖3（a）：ieq同時為Cp，C1和C2充電，vp逐漸上升。由于壓電換能器輸出電壓vp在開路下與ieq的積分成正比。尋找電流過零點(diǎn)可等效為尋找vp的極值點(diǎn)。電路通過R1、D3和C1組成的包絡(luò)檢測器來檢測vp最大值的包絡(luò)，與之相應(yīng)的R2、D4和C2則檢測vp最小值的包絡(luò)。

圖3 SP-PSSHI正半周期工作原理

2）恒電壓階段，圖3（b）：隨著vp上升，能量收集支路的整流橋?qū)ǎ瑅p被鉗位至Vo。

3）同步電壓翻轉(zhuǎn)階段，圖3（c）：當(dāng)vp趨于下降時，由三極管T1構(gòu)成的比較器將vp和其最大值包絡(luò)進(jìn)行比較。比較器的輸出（T1集電極）將會驅(qū)動相應(yīng)的T2導(dǎo)通，構(gòu)成Cp-D1-T2-L串聯(lián)諧振回路，產(chǎn)生圖1所示的電壓翻轉(zhuǎn)波形。注意到，由于電壓翻轉(zhuǎn)過程實(shí)質(zhì)利用了串聯(lián)諧振回路前半個周期的瞬態(tài)過程，對于沒有微控制器控制開關(guān)閉合的SP-SSHI，在經(jīng)過ΔT后，vp開始趨向于震蕩，但由于D1-T2構(gòu)成單向開關(guān)，L中電流沒有逆向回路，因此vp會直接開始進(jìn)入下半周期的開路階段。

4）電荷中和階段，圖3（d）：由于ieq在開路階段將C2充電至V0-VBE（VBE為基-射導(dǎo)通壓降），正半周電壓翻轉(zhuǎn)后C2將其電荷反向沖至C1和Cp，導(dǎo)致電壓翻轉(zhuǎn)后vp的電平會被略微抬高，可通過適當(dāng)減小C2（或C1）降低該非理想充放電的影響。

對于負(fù)半周期，電路有類似的工作過程。從工程應(yīng)用的角度，并聯(lián)型SP-SSHI可看作一個自動實(shí)現(xiàn)電壓翻轉(zhuǎn)且無需外部供電的“無源器件”只需要簡單地并聯(lián)到現(xiàn)有的壓電換能器與橋式整流電路支路上就能顯著地提高能量收集功率，相對于串聯(lián)型SP-SSHI需要斷開原有電路進(jìn)行串聯(lián)，后者更易于集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。電路元器件的具體參數(shù)如表1所示。

表1 SP-SSHI電路器件參數(shù)

3 壓電能量收集系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)驗(yàn)

圖4展示了所提出的用于無線傳感器壓電能量收集的電原理圖。壓電換能器將外部環(huán)境的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，通過壓電接口電路SP-SSHI進(jìn)行同步電壓翻轉(zhuǎn)，提高功率因素，進(jìn)一步提高能量收集功率，此時輸出電壓仍為交流信號，需要通過整流轉(zhuǎn)換為直流信號并存儲在儲能裝置（大容量電容或超級電容）中。穩(wěn)壓電路需要高效率地對整流后的輸出電壓降壓穩(wěn)壓，為低功耗終端負(fù)載（無線傳感器）供電。每個無線傳感器節(jié)點(diǎn)均具有相同的結(jié)構(gòu)，可分布式地收集當(dāng)?shù)氐恼駝幽芰浚瑴y量環(huán)境中的各種物理量，并把數(shù)據(jù)通過無線信道發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)匯總與處理。

圖4 用于無線傳感器的壓電能量收集系統(tǒng)電原理圖

在本設(shè)計中，共振音箱用于（如圖5（a））模擬自然環(huán)境振動源，為壓電換能器提供機(jī)械激勵，壓電換能器由5片廉價易得的壓電蜂鳴片（壓電陶瓷PZT，基底為黃銅）疊堆而成。壓電接口電路SP-SSHI、整流穩(wěn)壓電路和濾波儲能電容Cr在一塊一元硬幣大小的PCB電路板的正反兩面分別實(shí)現(xiàn)。整流與穩(wěn)壓電路集成于一塊專用的壓電能量收集芯片LTC3588-1（Linear Technology Co.），文獻(xiàn)[18]亦有基于該芯片的壓電能量收集設(shè)計。其內(nèi)部帶有20 V穩(wěn)壓齊納管保護(hù)的二極管整流橋和一個具有高轉(zhuǎn)換效率的buck型DC-DC變換電路，將SP-SSHI輸出的交流信號整流并降壓穩(wěn)壓到3.3 V，為終端藍(lán)牙模塊供電，具體外圍器件參數(shù)見表2。

表2 LTC3588-1外圍器件參數(shù)

終端負(fù)載為藍(lán)牙4.0模塊基于TI CC2541（Texas Instruments）片上系統(tǒng)，包括一個片上溫度傳感器、微控制器和板載天線，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的傳感、數(shù)字處理與主機(jī)之間的無線收發(fā)。為了應(yīng)對上電啟動和連接階段較大的突發(fā)能耗和環(huán)境振動激勵不穩(wěn)定性，本設(shè)計采用大容量電容為Cr作為緩沖電容，起到穩(wěn)壓與能量儲存的作用。在本設(shè)計中，藍(lán)牙模塊每5 s進(jìn)行一次溫度傳感并向智能手機(jī)無線發(fā)送一次當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)。

圖5 基于壓電能量收集的藍(lán)牙傳感器節(jié)點(diǎn)的原型設(shè)計

共振音箱預(yù)錄了一段有汽車經(jīng)過時，橋梁振動的波形。圖6（a）展示了在該不規(guī)則激勵下，壓電換能器輸出電壓vp與相對振動速度x?（與輸出電流呈正比）的波形。從圖6（b）可以觀察到，電流過零點(diǎn)后的一個較小相位延時φ后，vp從Vo下降到電壓Von，此時SP-SSHI對vp進(jìn)行同步電壓翻轉(zhuǎn)，使vp從Von翻轉(zhuǎn)到Voff，強(qiáng)制使電壓與電流同相。理想時，φ為零，電流過零瞬間立刻進(jìn)行電壓翻轉(zhuǎn)。該相位差為非理想因素，與二極管管壓降VF、三極管基-射導(dǎo)通管壓降VBE（on）和壓電片開路輸出電壓Voc3個參數(shù)有關(guān)。隨著φ增大，能量收集功率減少。

圖6 無規(guī)則沖擊振動下壓電材料響應(yīng)電波形

為了進(jìn)一步減少φ、二極管與三極管導(dǎo)通損耗，縮小電路整體體積，本設(shè)計根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景改進(jìn)了器件選型，采用了貼片封裝的肖特基二極管SS14和一致性良好的小功率互補(bǔ)對管XN4601（單個封裝包含一對小功率互補(bǔ)三極管）代替了原設(shè)計中的所采用的普通直插二極管1N4004和中功率互補(bǔ)對管TIP31C（NPN型）和TIP32C（PNP型）。表3對比了在相同開路電壓下，兩種不同器件選型下同步電壓翻轉(zhuǎn)相位差φ。顯然在更優(yōu)的器件選擇下，相位差進(jìn)一步下降，電壓翻轉(zhuǎn)瞬時耗散在三極管和二極管上的能量將會更小。

表3 器件選型與相位差對比

圖7 在相同不規(guī)則振動激勵下，使用SEH和SP-SSHI接口電路時，測試電容電壓隨時間變化情況

圖7對比了在相同無規(guī)則沖擊激勵下，SEH和SP-SSHI接口電路對一個較小容值的測試電容充電的表現(xiàn)以評估兩種接口電路的平均收集功率。在5 s的測量時間內(nèi)，接入SP-SSHI的電容電壓Vo為接入SEH的近2.5倍，根據(jù)電容電壓與電荷間的關(guān)系：

前者的能量收集功率為289 μW，后者為49 μW，SP-SSHI相對于SEH，能量收集平均功率提升約為4.9倍。值得注意的是，在文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[17]中，單頻正弦諧振激勵下SP-SSHI收集平均功率相對于SEH分別僅有1.6和2倍的提升，而在不規(guī)則振動激勵下，SP-SSHI相對于SEH表現(xiàn)出更高的效俘能效率的提升。

4 低功耗藍(lán)牙傳感器功耗分析

藍(lán)牙無線傳感器作為壓電能量收集系統(tǒng)的終端負(fù)載，有必要對其功耗進(jìn)行具體分析，以驗(yàn)證收集系統(tǒng)能否滿足負(fù)載的需求。

如圖8（a）所示，在藍(lán)牙模塊與通信終端建立聯(lián)系后，兩次數(shù)據(jù)的收發(fā)間隙并不需要持續(xù)工作，模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能耗，僅在在溫度傳感與數(shù)據(jù)傳輸瞬間，產(chǎn)生一次突發(fā)耗能。如圖8（b），放大數(shù)據(jù)無線傳輸過程，可以觀察到，該過程實(shí)際由多個階段組成，涉及到藍(lán)牙協(xié)議中的各個規(guī)范。

圖8 低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸功耗波形圖

為了簡化測量，我們通過對每個階段進(jìn)行分段線性化，并利用公式（6）計算出藍(lán)牙的平均功耗。其中電源電壓Vs=3.3 V，N為每次溫度傳感與數(shù)據(jù)收發(fā)期間經(jīng)歷的階段數(shù)，iˉn和Δt分別為每個階段的平均電流和持續(xù)時間，ΔTtransfer為數(shù)據(jù)傳輸周期5 s。利用該公式可計算出藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸階段的平均功耗為103 μW，使用SP-SSHI完全能滿足無線傳感器的連續(xù)工作，而使用SEH則需要更長的數(shù)據(jù)傳輸周期或更大的振動激勵。

在實(shí)際測試中，共振音箱持續(xù)為系統(tǒng)提供振動激勵，在長達(dá)一個小時的測試中，緩沖電容電壓值緩慢上升并最終達(dá)到平穩(wěn)，系統(tǒng)收集到的能量除了用于藍(lán)牙模塊以外，額外的能量被存儲在緩沖電容Cr中，整個測試期間未出現(xiàn)由于能量不足而出現(xiàn)連接中斷或藍(lán)牙模塊斷電關(guān)機(jī)的情況。

5 結(jié) 論

本研究提出并分析了一種改進(jìn)型的自供能壓電振動能量收集接口電路：并聯(lián)型SP-SSHI。該電路能夠在無規(guī)律振動中實(shí)時檢測壓電換能器輸出電壓信號的峰值并自動進(jìn)行同步電壓翻轉(zhuǎn)，無需額外傳感器、外部供電與微控制器，相對于傳統(tǒng)橋式整流電路SEH，極大地消除無功功率、提高等效機(jī)電耦合系數(shù)，在無規(guī)則振動激勵下平均能量收集功率提升接近5倍；相對于P-SSHI電路，則極大地精簡了外部控制電路，降低了控制所需能耗，進(jìn)一步縮小體積，使接口電路更易于系統(tǒng)集成與實(shí)際的工程應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)分析同時表明，以往研究所使用的單頻正弦激勵所得結(jié)論并不能完全反應(yīng)SP-SSHI在實(shí)際環(huán)境中的性能表現(xiàn)。基于SP-SSHI設(shè)計的用于無線傳感器供電的壓電能量收集系統(tǒng)相對于SEH，能夠高效地收集環(huán)境中廣泛存在的振動能量，為低功耗藍(lán)牙的溫度傳感與無線傳輸不間斷供電。

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