壓電式器件簡(jiǎn)化振動(dòng)能量收集原理

雖然“能量收集”自 2000 年初就已出現(xiàn)，但只是憑借近期的技術(shù)發(fā)展才將其推進(jìn)至商業(yè)化階段。簡(jiǎn)而言之，2010 年我們處在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)并將迎來其“成長(zhǎng)”階段。運(yùn)用能量收集技術(shù)的樓宇自動(dòng)化傳感器應(yīng)用已經(jīng)在歐洲得到推廣，這說明其成長(zhǎng)階段可能已拉開序幕。

能量收集的商業(yè)化可行性

盡管能量收集的概念廣為人知已有多年，但在某種實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)系統(tǒng)卻十分麻煩、復(fù)雜和昂貴。然而，采用了能量收集方法的市場(chǎng)實(shí)例包括交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測(cè)，而迄今為止最大的市場(chǎng)便是樓宇自動(dòng)化。就樓宇自動(dòng)化而言，諸如占有傳感器、溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器和光開關(guān)等系統(tǒng)能夠免除通常所需的電源或控制線路，取而代之是一個(gè)機(jī)械或能量收集系統(tǒng)。

同樣，運(yùn)用能量采集技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒔ㄖ飪?nèi)任何數(shù)目的傳感器連接起來，以在無人值守情況下通過切斷非緊要區(qū)域的供電來降低采暖、通風(fēng)和空調(diào)以及照明成本。此外，能量收集電子線路的成本常常低于電源線路的運(yùn)行成本，因此，選用收集電能技術(shù)顯然能夠帶來經(jīng)濟(jì)上的收益。

圖1：典型能量采集系統(tǒng)的四個(gè)主要模塊。

典型的能量收集配置或系統(tǒng) (見圖 1) 通常包括一種免費(fèi)能源，例如：連接在某個(gè)振動(dòng)機(jī)械源 (如空調(diào)管道或窗玻璃) 上的壓電換能器。這些小型壓電器件能夠?qū)⒑苄〉恼駝?dòng)或應(yīng)變差轉(zhuǎn)換為電能。該電能隨后可由一個(gè)能量收集電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換并被變更為一種可用的形式，用于給下游電路供電。這些下游電子線路通常包括某種類型的傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)超低功率微控制器。上述組件可以獲取該收集能量 (以電流的形式存在) 并喚醒一個(gè)傳感器，以獲得一個(gè)讀數(shù)或測(cè)量結(jié)果，然后使該數(shù)據(jù)可通過一個(gè)超低功率無線收發(fā)器 (由圖 1 所示電路鏈中的第四個(gè)模塊來表示) 進(jìn)行傳輸。

該鏈路中的每個(gè)電路系統(tǒng)模塊 (能源本身或許除外) 都特有一組迄今為止有損于其商業(yè)可行性的約束條件。低成本和低功率傳感器及微控制器面市已有幾年的時(shí)間；然而，超低功率收發(fā)器只是到最近才剛剛實(shí)現(xiàn)了商用化。不過，該鏈路中處于落后狀態(tài)的則一直是能量收集器。

現(xiàn)有的電源管理器模塊實(shí)現(xiàn)方案往往采用低性能的分立型結(jié)構(gòu)，通常包括30個(gè)或更多的組件。此類設(shè)計(jì)具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流。這兩個(gè)不足之處均導(dǎo)致了終端系統(tǒng)中的性能損失。低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時(shí)間，這反過來又延長(zhǎng)了從獲取一個(gè)傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。高靜態(tài)電流則對(duì)能量收集電源能夠低到何種程度有所限制，因?yàn)樗紫缺仨毘狡渥陨聿僮魉璧碾娏魉?，然后才能將任何多余的功率提供給輸出。

新型壓電式能量收集器

迄今為止，人們所缺少的一直是能夠收集和管理來自振動(dòng)源或應(yīng)變?cè)吹膲弘娔芰俊⒉⒕哂械蛽p耗全波橋式整流器的高集成度、高效率DC/DC降壓型轉(zhuǎn)換器。近期，凌力爾特推出的新型 LTC3588-1壓電式能量收集電源極大地簡(jiǎn)化了從這類能源收集剩余能量的工作。

圖2：LTC3588-1電路將振動(dòng)源或應(yīng)變?cè)崔D(zhuǎn)換為電流。

圖 2 中示出的電路采用了一個(gè)小型壓電換能器，用于將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為一個(gè)AC 電壓電源，以饋入LTC3588-1的內(nèi)部橋式整流器。它能夠收集小的振動(dòng)能源并生成系統(tǒng)電源，而沒有使用傳統(tǒng)的電池電源。

LTC3588-1是一款超低靜態(tài)電流電源，專為能量收集和/或低電流降壓應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該器件可直接連接至一個(gè)壓電電源或AC電源，對(duì)電壓波形進(jìn)行校正并將收集的能量存儲(chǔ)在一個(gè)外部電容器上，通過一個(gè)內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器泄放任何多余的功率并借助一個(gè)毫微功率高效降壓型穩(wěn)壓器來保持一個(gè)已調(diào)輸出電壓。

LTC3588-1的內(nèi)部全波橋式整流器可通過兩個(gè)差分輸入來使用，即負(fù)責(zé)對(duì)AC輸入進(jìn)行整流的PZ1和PZ2。該整流輸出隨后被存儲(chǔ)在位于 VIN引腳上的一個(gè)電容器上，并可用作降壓型轉(zhuǎn)換器的能量?jī)?chǔ)存器。低損耗橋式整流器具有一個(gè)約400mV的總壓降和典型壓電生成電流 (一般在10μA左右)。該電橋能夠傳輸高達(dá)50mA的電流。當(dāng)VIN引腳上擁有足夠的電壓時(shí)，降壓型轉(zhuǎn)換器將被使能以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)壓輸出。

降壓型穩(wěn)壓器采用了一種遲滯電壓算法，以通過來自VOUT檢測(cè)引腳的內(nèi)部反饋對(duì)輸出加以控制。降壓型轉(zhuǎn)換器通過一個(gè)電感器將一個(gè)輸出電容器充電至一個(gè)略高于調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值。它通過利用一個(gè)內(nèi)部PMOS開關(guān)使電感器電流斜坡上升至260mA、并隨后利用一個(gè)內(nèi)部NMOS開關(guān)使電感器電流斜坡下降至零以完成該任務(wù)，從而有效地將能量輸送至輸出電容器。其提供穩(wěn)壓輸出的遲滯方法降低了因FET開關(guān)操作所引起的損耗，并在輕負(fù)載條件下保持了一個(gè)輸出。降壓型轉(zhuǎn)換器在其執(zhí)行開關(guān)操作時(shí)提供了一個(gè)最小100mA的平均負(fù)載電流。

本文小結(jié)

由于擁有模擬開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專長(zhǎng)的人員在全球都處于短缺狀態(tài)，因此要想設(shè)計(jì)出如圖1所示的高效能量收集系統(tǒng)一直是很困難的事。不過，隨著具集成低損耗全波橋式整流器的壓電式能量收集電源LTC3588-1的推出，這種狀況即將發(fā)生改變。這款革命性器件能夠從幾乎所有的機(jī)械振動(dòng)源或應(yīng)變?cè)次∧芰?。此外，憑借其全面的功能組合以及設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性，該器件還極大地簡(jiǎn)化了能量收集鏈中難以完成的功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言這是個(gè)好消息，因?yàn)檫@些“有效振動(dòng)”可用于為其能量收集系統(tǒng)供電，而無須費(fèi)盡心機(jī)地去應(yīng)付傳統(tǒng)的配置難題。