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1振動能量收集優(yōu)化分析

由于振動能量收集器輸出的是交流電壓（電流）信號，所以首先要使用整流電路將其轉(zhuǎn)換為直流電壓，如圖2所示。其中，Cs是存儲電容，用于累積收集的電量，i0（t）表示整流電路輸出電流值，Vs表示整流電路輸出電壓值。此時，Vs稱之為振動能量收集器整流輸出電壓的最優(yōu)值，影響因素包括Ip、f和Cp。而Ip又取決于振動幅度，f代表振動頻率，Cp由壓電材料特性決定，可以認(rèn)為是一個常量。由此可以推出，振動能量收集器輸出的交流電壓（電流）信號存在一個最優(yōu)值，且由振動幅度、頻率和壓電材料特性決定。所以，振動能量收集器的生產(chǎn)廠商一般會給出特定振動頻率下，收集器輸出功率與工作電壓和振動幅度的關(guān)系曲線。以測試采用的MIDE公司生產(chǎn)的VOLTURE系列振動能量收集器V25W為例，振動頻率為40Hz時，振動幅度分別為0.25g、0.375g、0.5g和1.0g的情況下，使輸出功率最大化的等效開路電壓分別為4V、7V、8V和15V。

2振動能量收集電源設(shè)計

收集到的電能轉(zhuǎn)換為直流后，還需要經(jīng)過穩(wěn)壓電路才能供負(fù)載使用。傳統(tǒng)的方法中，整流電路和穩(wěn)壓電路采用整流二極管、存儲電容、保護(hù)二極管和三端穩(wěn)壓器等分立器件組合而成，電路調(diào)試難度大，轉(zhuǎn)換效率低下。凌力爾特公司最近生產(chǎn)出一款專用于振動能量收集的電源芯片LTC3588-2，內(nèi)部集成了整流橋、穩(wěn)壓及控制電路，由它構(gòu)成的電源電路非常簡單，如圖3所示。其中，PZ1和PZ2引腳連接振動能量收集器，D0和D1引腳用于選擇輸出電壓值（3.45V、4.1V、4.5V、5.0V可選），此電路選擇為5.0V輸出，Pgood引腳作為穩(wěn)壓電源“準(zhǔn)備好”的提示信號。

電路使用的元器件中，比較關(guān)鍵的是輸入端存儲電容Cs的選擇。在振動能量收集電路中，存儲電容最重要的特點(diǎn)是低泄漏電流，而等效串聯(lián)電阻值并不重要，考慮泄漏電流、充電能力和電氣參數(shù)穩(wěn)定性等指標(biāo)對電路的影響，TRJ系列鉭電容是振動能量收集的最佳選擇，所以Cs選擇容量為22μF、耐壓25V的TRJ鉭電容。

3測試與結(jié)論

使用振動臺作為振動源模擬環(huán)境振動，選用振動頻率40Hz、振動幅度1.0g的MIDE公司的V25W振動能量收集器以懸梁臂的結(jié)構(gòu)固定在振動臺上，并在其末端粘貼約16g的重物，用于將收集器自身頻率調(diào)節(jié)到40Hz，以匹配振動源頻率。

振動臺起振后，振動能量收集器輸出的交流電壓非常平滑，符合正弦信號的特征，其峰峰值大約13V，非常接近輸出功率最大時的開路電壓，信號周期25ms，頻率與振動源頻率一致。LTC3588-2將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓后給輸入端存儲電容Cs充電，Cs兩端電壓Vs慢慢爬升，一旦越過上升沿門限電壓（16V），芯片打開其內(nèi)部穩(wěn)壓電路，將Cs上的電荷搬移到輸出端存儲電容C2上，輸出電壓VO瞬間爬升到5V，給負(fù)載供電。與此同時，“準(zhǔn)備好”信號Pgood置為高電平，提示穩(wěn)壓電源可以使用。當(dāng)Vs由于電荷的搬移下降到下降沿門限電壓后，芯片關(guān)閉其內(nèi)部穩(wěn)壓電路，停止搬運(yùn)Cs上的電荷，使Cs兩端的電壓再次慢慢爬升。

測試結(jié)果表明，合理安裝振動能量收集器并連接到開發(fā)的電源電路板，能夠產(chǎn)生斷續(xù)的5V穩(wěn)定電壓，可以廣泛用于低功耗、短工作時間的無線傳感器設(shè)備上。

作者：王忠民張延波郭林鑫徐文青單位：山東省科學(xué)院自動化研究所