振动能量收集电源电路设计

王忠民，张延波，郭林鑫，徐文青（山东省科学院自动化研究所，山东　济南 250014）

振动能量收集电源电路设计

王忠民，张延波，郭林鑫，徐文青
（山东省科学院自动化研究所，山东济南 250014）

利用凌力尔特推出的电源集成芯片LTC3588-2，设计出适用振动能量收集的高集成度电源电路。根据压电材料能量收集器特性，建立了以理想电流源为基础的电路模型，用于电路仿真。通过调节收集器自身的振动频率，以及使用具备微弱泄漏电流特点的电容，使振动能量到电能的转换效率最大化。测试结果表明，该电源可以断续输出5 V的稳定电压，为低功耗、短工作时间的无线传感器设备供电。

振动；能量采集；电源

0　引言

近些年，无线传感器网络发展迅速，被广泛应用在环境、安全、过程控制和健康监视等领域，改善了资源的利用效率，实现了自然环境和工程控制的智能化，提高了公共领域的安保水平，深刻影响着人类社会的方方面面。但是，大量的无线传感器节点也带来了一些亟待解决的问题，特别是对能源的需求。而且，在许多应用领域，为了降低成本，无线传感器节点被设计为低成本、低维护周期的设备，这就对传感器校准、恶劣环境下的封装设计、特别是电源供电提出了更大的挑战。随着科技的发展，虽然电池技术性能已经得到很大改进，但是依然无法跟上无线传感器对能源需求的增长速度。基于这个原因，从外部环境获取能量给无线传感器供电成为当前的研究热点。正在开发的各种新型环境能源主要包括太阳能、热能、振动能和射频能。振动能量作为自然环境中普遍存在的一种机械能，受外界条件限制较少，收集利用便捷，是无线传感器网络替代能源的理想选择［1］。

1　振动能量收集原理

振动能量收集器通常采用压电材料实现振动能到电能的转换。将振动能量收集器以悬梁臂的结构固定在振动源上，当产生机械振动时，压电晶体发生形变，在回路中产生电流，随着振动方向的变化，电流的方向也跟着改变。因此，可以建立以理想电流源为基础的电路模型，如图1所示。它包含一个正弦电流源i（t）、一个内部电容Cp和一个内部电阻Rp。其中，i（t）=Ipsin（2πft），Ip的大小由振幅决定，f表示振动频率，Cp和 Rp是与振动频率没有关系的常量，而且Rp的阻值总是非常大。过去的研究表明，压电材料的输出电压（电流）取决于材料的几何尺寸、压电特性、机械振动强度和输出阻抗［2］。

图1　振动能量收集器等效电路模型

2　振动能量收集优化分析

由于振动能量收集器输出的是交流电压（电流）信号，所以首先要使用整流电路将其转换为直流电压，如图2所示。其中，Cs是存储电容，用于累积收集的电量，i0（t）表示整流电路输出电流值，Vs表示整流电路输出电压值。

图2　振动能量收集器的整流电路

由电路分析可知，整流电路的平均输出电流为：

整流电路的平均收集功率为：

其中，ΔV指整流二极管的正向压降，得到最大功率输出的条件为［3］：

此时，Vs称之为振动能量收集器整流输出电压的最优值，影响因素包括Ip、f和Cp。而Ip又取决于振动幅度，f代表振动频率，Cp由压电材料特性决定，可以认为是一个常量。由此可以推出，振动能量收集器输出的交流电压（电流）信号存在一个最优值，且由振动幅度、频率和压电材料特性决定。所以，振动能量收集器的生产厂商一般会给出特定振动频率下，收集器输出功率与工作电压和振动幅度的关系曲线。以测试采用的MIDE公司生产的VOLTURE系列振动能量收集器V25W为例，振动频率为40 Hz时，振动幅度分别为 0.25 g、0.375 g、0.5 g和1.0 g的情况下，使输出功率最大化的等效开路电压分别为4 V、7 V、8 V和15 V。

3　振动能量收集电源设计

图3　振动能量收集电源原理图

收集到的电能转换为直流后，还需要经过稳压电路才能供负载使用。传统的方法中，整流电路和稳压电路采用整流二极管、存储电容、保护二极管和三端稳压器等分立器件组合而成，电路调试难度大，转换效率低下［4］。凌力尔特公司最近生产出一款专用于振动能量收集的电源芯片 LTC3588-2，内部集成了整流桥、稳压及控制电路，由它构成的电源电路非常简单，如图3所示。其中，PZ1和 PZ2引脚连接振动能量收集器，D0和D1引脚用于选择输出电压值 （3.45 V、4.1 V、 4.5 V、5.0 V可选），此电路选择为5.0 V输出，Pgood引脚作为稳压电源“准备好”的提示信号。

电路使用的元器件中，比较关键的是输入端存储电容Cs的选择。在振动能量收集电路中，存储电容最重要的特点是低泄漏电流，而等效串联电阻值并不重要，考虑泄漏电流、充电能力和电气参数稳定性等指标对电路的影响，TRJ系列钽电容是振动能量收集的最佳选择［5］，所以Cs选择容量为22 μF、耐压25 V的TRJ钽电容。

4　测试与结论

使用振动台作为振动源模拟环境振动，选用振动频率40 Hz、振动幅度1.0 g的MIDE公司的V25W振动能量收集器以悬梁臂的结构固定在振动台上，并在其末端粘贴约16 g的重物，用于将收集器自身频率调节到40 Hz，以匹配振动源频率。

振动台起振后，振动能量收集器输出的交流电压非常平滑，符合正弦信号的特征，其峰峰值大约 13 V，非常接近输出功率最大时的开路电压，信号周期 25 ms，频率与振动源频率一致。

LTC3588-2将交流电压转换成直流电压后给输入端存储电容 Cs充电，Cs两端电压 Vs慢慢爬升，一旦越过上升沿门限电压（16 V），芯片打开其内部稳压电路，将Cs上的电荷搬移到输出端存储电容 C2上，输出电压 VO瞬间爬升到 5 V，给负载供电。与此同时，“准备好”信号Pgood置为高电平，提示稳压电源可以使用。当 Vs由于电荷的搬移下降到下降沿门限电压后，芯片关闭其内部稳压电路，停止搬运 Cs上的电荷，使 Cs两端的电压再次慢慢爬升。

测试结果表明，合理安装振动能量收集器并连接到开发的电源电路板，能够产生断续的5 V稳定电压，可以广泛用于低功耗、短工作时间的无线传感器设备上。参考文献

［1］李金田，文玉梅.压电式振动能量采集电源管理电路分析［J］.电源技术，2012，36（4）：606-610.

［2］OTTMAN G K.Adaptive piezoelectric energy harvesting circuit for wireless remote power supply［J］.IEEE Transaction on Power Electronics，2002，17（5）：1781-1783.

［3］FANG H B，LIU J Q.Fabrication and performance of MEMS-basedpiezoelectricpowergeneratorforvibration energy harvesting［J］.Microelectronics Journal，2006，41：1280-1284.

［4］LU C，TSUI C，KI W.A batteryless vibration-based energy harvesting system for ultra low power ubiquitous applications［J］.Circuits and Systems，2007，ISCAS 2007，1（5）：1349-1352.

［5］文玉梅，叶建平，李平，等.一种振动自供能无线传感器的电源管理电路［J］.电子技术应用，2011，37（11）：84-88.

［6］RADOVAN F，MIROSLAVE J.Storage capacitor properties and their effect on energy harvester performance［R］.AVX，A Kyocera Group Company，2013.

Design of vibration energy harvesting power supply circuit

Wang Zhongmin，Zhang Yanbo，Guo Linxin，Xu Wenqing
（Shandong Academy of Sciences Institute of Automation，Ji′nan 250014，China）

A vibration energy harvesting power supply circuit with integrated chip LTC3588-2 was designed.Circuit model based on ideal current source was established according to the characters of piezoelectric materials and was used to circuit simulation. Conversion efficiency from vibration to electrical energy was maximized by using adjusting frequency of harvester and selecting capacitance with low leakage current.Test results show that the power supply could supply regulated voltage of 5 V for low power and short operation time wireless sensor equipments.

vibration；energy harvesting；power supply

TN712+.5

A

1674-7720（2015）05-0024-02

（2014-10-13）

王忠民（1981-），通信作者，男，硕士，助理研究员，主要研究方向：微弱信号检测，高速数字电路，E-mail：lifenet@yeah.net。

张延波（1976-），男，硕士，工程师，主要研究方向：电气设备驱动软件研发。

郭林鑫（1987-），男，硕士，助理研究员，主要研究方向：嵌入式硬件设计。