壓電式器件簡化振動能量收集原理

雖然“能量收集”自 2000 年初就已出現，但只是憑借近期的技術發展才將其推進至商業化階段。簡而言之，2010 年我們處在一個轉折點并將迎來其“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，但在某種實際環境中實現這樣一個系統卻十分麻煩、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、溫度自動調節器和光開關等系統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。

同樣，運用能量采集技術的無線網絡能夠將建筑物內任何數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域的供電來降低采暖、通風和空調以及照明成本。此外，能量收集電子線路的成本常常低于電源線路的運行成本，因此，選用收集電能技術顯然能夠帶來經濟上的收益。

圖1：典型能量采集系統的四個主要模塊。

典型的能量收集配置或系統 (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 (如空調管道或窗玻璃) 上的壓電換能器。這些小型壓電器件能夠將很小的振動或應變差轉換為電能。該電能隨后可由一個能量收集電路進行轉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、模數轉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，以獲得一個讀數或測量結果，然后使該數據可通過一個超低功率無線收發器 (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，超低功率收發器只是到最近才剛剛實現了商用化。不過，該鏈路中處于落后狀態的則一直是能量收集器。

現有的電源管理器模塊實現方案往往采用低性能的分立型結構，通常包括30個或更多的組件。此類設計具有低轉換效率和高靜態電流。這兩個不足之處均導致了終端系統中的性能損失。低轉換效率將增加系統上電所需的時間，這反過來又延長了從獲取一個傳感器讀數至傳輸該數據的時間間隔。高靜態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，用于將機械振動轉換為一個AC 電壓電源，以饋入LTC3588-1的內部橋式整流器。它能夠收集小的振動能源并生成系統電源，而沒有使用傳統的電池電源。

LTC3588-1是一款超低靜態電流電源，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，通過一個內部并聯穩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壓器來保持一個已調輸出電壓。

LTC3588-1的內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，降壓型轉換器將被使能以產生一個穩壓輸出。

降壓型穩壓器采用了一種遲滯電壓算法，以通過來自VOUT檢測引腳的內部反饋對輸出加以控制。降壓型轉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節點的數值。它通過利用一個內部PMOS開關使電感器電流斜坡上升至260mA、并隨后利用一個內部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。降壓型轉換器在其執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

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，因此要想設計出如圖1所示的高效能量收集系統一直是很困難的事。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換設計。對于系統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供電，而無須費盡心機地去應付傳統的配置難題。