文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.010
中文引用格式： 榮訓，陳志敏，曹廣忠. 一種基于壓電效應的振動能量收集電路[J].電子技術應用，2015，41(8)：37-39，46.
英文引用格式： Rong Xun，Chen Zhimin，Cao Guangzhong. Design of a circuit for harvesting vibration energy based on piezoelectric effect[J].Application of Electronic Technique，2015，41(8)：37-39，46.
0 引言
環(huán)境中振動能量收集越來越受到傳感器領域的關注。隨著生產工藝的不斷提升，小型電子元件的功率不斷降低，使得諸如無線傳感器節(jié)點等低能耗設備的自供電成為可能。目前，利用環(huán)境中的振動能量為這些小型電子設備供電，替代或減少外部電源及充電電池成為了研究熱點。這些振動能量來源包括聲波振動、機械振動等，其中機械振動能量來源豐富，足以滿足應用需求，通過壓電式能量收集器可以方便地將其轉化為電能。對壓電能量收集技術的研究主要分為兩個部分，即優(yōu)化能量收集器結構和優(yōu)化存儲產生電荷的能量收集電路。
壓電能量收集電路一般由全橋整流電路和電容及負載組成，但由于電信號的輸出過小，這些電路都難以為電子元件或傳感器直接供電。SODANO等[1-2]研究了不同的壓電能量收集器以及利用電容或充電電池進行能量存儲的方法。OTTMAN等[3]開發(fā)了一種高效電路，用于存儲電荷以及為負載供電。LEFEUVRE等以及BADEL等[4-5]開發(fā)了一種新型功率流優(yōu)化方法，用于提高能量轉換效率，這種方法基于“電感式同步開關收集技術”(SSHI)，雖然相比于標準能量收集電路，這種方法提高了能量收集效率，但多數需要提供外部電源使微處理器產生開關信號。
本文基于懸臂梁式壓電雙晶能量收集器，設計了由三倍壓電路及低功耗電源管理芯片LTC3588-1組成的能量收集電路，研究了低頻振動下電路輸出功率，并通過實驗驗證了其可為傳感器等低能耗設備供電。
1 壓電能量收集器的結構及理論模型
1.1 壓電能量收集器的結構
壓電能量收集器通常為單晶或雙晶壓電片及金屬彈性層構成的懸臂梁結構，壓電元件工作在d31模式。其一端固定在基座上，通過基座振動產生激勵，壓電層中變化的應變產生交變電壓經壓電晶體片上的電極輸出。
本文中壓電能量收集器采用電極并聯的壓電雙晶組成，結構如圖1所示。上下兩片矩形的壓電晶體片粘合在金屬彈性層的兩側構成電能輸出的一極，上層壓電晶體片的表面與下層壓電晶體片的表面相連構成另一極。
1.2 壓電能量收集器的理論模型
根據IEEE標準176（1978），工作在d31模式的壓電元件的壓電方程為：
2 壓電能量收集電路
能量收集多采用標準電荷捕獲電路。壓電能量收集器在機械振動作用下產生的交流電信號需經橋式整流、濾波和DC-DC電壓變換單元后，輸出的電能再由儲能元件儲存起來[7-8]。傳統(tǒng)的橋式整流電路，電路的壓降大，輸出的電壓不穩(wěn)定，且耗能多。為了收集到盡可能多的能量，本文使用三倍壓電路，先將電壓升壓，然后用以LTC3588-1芯片為核心電源管理電路整流和穩(wěn)壓。系統(tǒng)框圖如圖3所示。
2.1 三倍壓電路
低頻振動時，壓電能量收集器產生電壓較小，且電源管理芯片工作電壓需要大于2.7 V，故本文設計了如圖4的三倍壓電路，將壓電能量收集器產生的電壓進行升壓。
電路工作原理為：在正弦電壓源的第一個正半周時C1被充電至U，第一個負半周時C2上的電壓被充電到接近2U；當第二個正半周時，D1、D3導通，D2截止，C2上的電壓與電源串聯經D3對C3充電至3U。
在開始的幾個周期內C3上電壓并不能真正充至3U，經過幾個周期之后C3上累積的電壓約為3U，從而在負載兩端得到近似于三倍的電壓[9]。本文電路輸入端采用低頻振動時壓電能量收集器等效輸出，電壓峰值為3 V，振動頻率為3 Hz。其輸出波形如圖5所示。
2.2 電源管理電路
美國凌力爾特公司推出新型電源管理芯片LTC3588-1，以優(yōu)化對低壓電源的管理。LTC3588-1內部集成一個低損耗、全波橋式整流器和一個高效率降壓型轉換器，通過壓電能量收集器收集環(huán)境中的振動能量，然后將這種能量轉換成調節(jié)好的的電壓輸出，可以為微控制器、傳感器、數據轉換器和無線傳輸組件供電。
LTC3588-1的輸入電壓為2.7 V～20 V，可設定4種不同的電壓輸出：1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V。LTC3588-1可對輸入的電壓進行整流并通過外部存儲電容器進行濾波、存儲，同時通過內部并聯穩(wěn)壓器穩(wěn)壓、限幅。LTC3588-1有11個引腳，當D1為高電平、D0為低電平時，其輸出電壓為3.3 V。電源管理電路如圖6所示。
2.3 能量收集電路
整體能量收集電路如圖7所示，壓電能量收集器將機械能轉化成電能，通過三倍壓后，電源管理電路對電壓進行穩(wěn)壓和存儲，然后就可以給低功耗的電子器件供電[10-11]。
3 實驗測試與結果
本文采用的壓電材料是PZT-5，金屬彈性層的材料是黃銅#CW617N，壓電能量收集器實物如圖8所示。按壓壓電能量收集器時的機械振動使壓電能量收集器產生電能，產生的電壓最大值約為3 V，頻率為3 Hz左右，圖9是壓電能量收集器產生的電壓波形。在測試中，用本文設計的能量收集電路來收集壓電能量收集器產生的電能，電路輸出的電壓約為3.3 V，與電源管理芯片理論輸出電壓基本一致，其輸出波形如圖10所示。
圖11是一個基于觸摸檢測IC（TTP223B）的電容式點動型觸摸開關模塊。常態(tài)下，模塊輸出低電平，模式為低功耗模式。當用手指觸摸相應位置時，模塊會輸出高電平，模式切換為快速模式；當持續(xù)12 s沒有觸摸時，模式又切換為低功耗模式，模塊供電電源可為DC 2 V~5.5 V，其正常工作的功率范圍是0.4 mW~20 mW。
測試電路如圖12所示。經過一段時間的充電后,電路輸出的電壓是3.3 V，用手指觸摸傳感器相應的位置時，模塊上的LED指示燈會點亮，說明傳感器正常工作，此時模塊輸入端的電流是1.38 mA，功率為4.55 mW。若傳感器間斷工作，則可以延長傳感器的工作時間。
4 結論
壓電能量收集器可實現將環(huán)境中的振動能量轉換為電能，解決電池帶來的污染問題以及特殊環(huán)境里的電池更換問題。本文設計的能量收集電路，在低頻下收集的電能可供功率為4.55 mW的觸摸式傳感器正常工作，實現了微弱電能的收集，驗證了低功耗器件自供能的可行性。由于壓電發(fā)電具有節(jié)能、環(huán)保、易于實現等特點，因此作為新型能源將具有良好的應用前景。
參考文獻
[1] SODANO H A，INMAN D J，PARK G.Comparison of piezoelectric energy harvesting devices for recharging batteries[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2005，16：799-807.
[2] SODANO H A，INMAN D J，PARK G.Generation and storage of electricity from power harvesting devices[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2005，16：67-75.
[3] OTTMAN G K，HOFMAN H F，BHATT A C，et al.Adaptive piezoelectric energy harvesting circuit for wireless remote power supply[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2002，17：669-676.
[4] LEFEUVRE E，BADEL A，BENAYAD A，et al.A comparison between several approachs of piezoelectric energy harvesting[J].Joural de Physique IV，2005，128：177-186.
[5] EFEUVRE E，BADEL A，RICHARD C，et al.Piezoelectric energy harvesting device optimization by synchronous electric charge extraction[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2005，16：865-876.
[6] Hofmann H F，0ttman G K，Lesieutre G A.Optimized piezo electric energy circuit using step-down conyerter in discontinuous conduction mode[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2002，18(2)，696-703.
[7] 王青萍，范躍農，王騏.壓電能量收集中儲能器件的研究[J].壓電與聲光，2011，33(6)：950-953.
[8] 王鑫，郭佳歡，謝清華.超級電容器在微電網中的應用[J].電網與清潔能源，2009，25(6)：18-22.
[9] 李蜀川，楊忠孝，成友才.倍壓整流電路的計算[J].川北教育學院學報，2002，12(1)：51-54.
[10] 劉建濤，張建成，馬杰.儲能技術在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中的應用分析[J].電網與清潔能源，2011，27(7)：62-66.
[11] 朱莉婭，陳仁文，雷嫻.壓電振動發(fā)電機的研究現狀與發(fā)展趨勢[J].中國機械工程，2011，22(24)：3016-3022.