關于新型壓電式器件簡化振動能量收集

許多低功率工業(yè)傳感器和控制器正在逐步轉(zhuǎn)而采用可替代能源作為主要或輔助的供電方式。理想情況下，這些收集的能量將可免除增設有線電源或電池的需要。利用現(xiàn)成的物理能源 (例如：溫差裝置“熱電發(fā)電機或熱電堆”、機械振動“壓電或機電設備”和光“光伏設備”) 來產(chǎn)生電力的換能器正逐漸成為許多應用的實用電源。眾多的無線傳感器、遠程監(jiān)視器和其他低功率應用正逐漸發(fā)展成為近乎“零”功率的器件，而且只使用收集能量 (有些人通常稱之為“毫微功率”)。

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發(fā)展才將其推進至商業(yè)化階段。簡而言之，2010 年我們處在一個轉(zhuǎn)折點并將迎來其“成長”階段。運用能量收集技術的樓宇自動化傳感器應用已經(jīng)在歐洲得到推廣，這說明其成長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，但在某種實際環(huán)境中實現(xiàn)這樣一個系統(tǒng)卻十分麻煩、復雜和昂貴。然而，采用了能量收集方法的市場實例包括交通運輸基礎設施、無線醫(yī)療設備、輪胎壓力檢測，而迄今為止最大的市場便是樓宇自動化。就樓宇自動化而言，諸如占有傳感器、溫度自動調(diào)節(jié)器和光開關等系統(tǒng)能夠免除通常所需的電源或控制線路，取而代之是一個機械或能量收集系統(tǒng)。

同樣，運用能量采集技術的無線網(wǎng)絡能夠?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、通風和空調(diào)以及l(fā)ed/' target='_blank'>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行成本，因此，選用收集電能技術顯然能夠帶來經(jīng)濟上的收益。

圖1：典型能量采集系統(tǒng)的四個主要模塊。

典型的能量收集配置或系統(tǒng) (見圖 1) 通常包括一種免費能源，例如：連接在某個振動機械源 (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〉恼駝踊驊儾钷D(zhuǎn)換為電能。該電能隨后可由一個能量收集電路進行轉(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) 并喚醒一個傳感器，以獲得一個讀數(shù)或測量結(jié)果，然后使該數(shù)據(jù)可通過一個超低功率無線收發(fā)器 (由圖 1 所示電路鏈中的第四個模塊來表示) 進行傳輸。

該鏈路中的每個電路系統(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間；然而，超低功率收發(fā)器只是到最近才剛剛實現(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個或更多的組件。此類設計具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流。這兩個不足之處均導致了終端系統(tǒng)中的性能損失。低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時間，這反過來又延長了從獲取一個傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時間間隔。高靜態(tài)電流則對能量收集電源能夠低到何種程度有所限制，因為它首先必須超越其自身操作所需的電流水平，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源或應變源的壓電能量、并具有低損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電路將振動源或應變源轉(zhuǎn)換為電流。

圖 2 中示出的電路采用了一個小型壓電換能器，用于將機械振動轉(zhuǎn)換為一個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/或低電流降壓應用而設計。該器件可直接連接至一個壓電電源或AC電源，對電壓波形進行校正并將收集的能量存儲在一個外部電容器上，通過一個內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器泄放任何多余的功率并借助一個毫微功率高效降壓型穩(wěn)壓器來保持一個已調(diào)輸出電壓。

LTC3588-1的內(nèi)部全波橋式整流器可通過兩個差分輸入來使用，即負責對AC輸入進行整流的PZ1和PZ2。該整流輸出隨后被存儲在位于 VIN引腳上的一個電容器上，并可用作降壓型轉(zhuǎn)換器的能量儲存器。低損耗橋式整流器具有一個約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50mA的電流。當VIN引腳上擁有足夠的電壓時，降壓型轉(zhuǎn)換器將被使能以產(chǎn)生一個穩(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檢測引腳的內(nèi)部反饋對輸出加以控制。降壓型轉(zhuǎn)換器通過一個電感器將一個輸出電容器充電至一個略高于調(diào)節(jié)點的數(shù)值。它通過利用一個內(nèi)部PMOS開關使電感器電流斜坡上升至260mA、并隨后利用一個內(nèi)部NMOS開關使電感器電流斜坡下降至零以完成該任務，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開關操作所引起的損耗，并在輕負載條件下保持了一個輸出。降壓型轉(zhuǎn)換器在其執(zhí)行開關操作時提供了一個最小100mA的平均負載電流。

本文小結(jié)

由于擁有模擬開關模式電源設計專長的人員在全球都處于短缺狀態(tài)，因此要想設計出如圖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械振動源或應變源吸取能量。此外，憑借其全面的功能組合以及設計的簡易性，該器件還極大地簡化了能量收集鏈中難以完成的功率轉(zhuǎn)換設計。對于系統(tǒng)設計師而言這是個好消息，因為這些“有效振動”可用于為其能量收集系統(tǒng)供電，而無須費盡心機地去應付傳統(tǒng)的配置難題。