夏奥++++孙勇智

摘 要：随着微机电系统（MEMS）的发展，无线传感网络使用越来越广泛。本文简要介绍了采用压电陶瓷片作为能量来源，提出一种基于高效的微弱能量收集芯片LTC-3588的能量收集方案；通过对比试验，针对CC2541低功耗蓝牙模块，设计出能量存储方案，实现了设备的“无源”供电。

关键词：压电发电；能量收集；LTC-3588；电容器；低功耗；蓝牙

0 引言

随着无线通讯与微机电系统（MEMS）的不断发展，使得分布式微电子设备、微传感器等等微型机电系统的应用范围不断扩大，这些应用包括为健康监测的分布式传感器节点、大型系统的电池监测、汽车轮胎压力监测系统等。在很多情况下，这些系统不能使用电缆或电线供电，电池（镍氢电池、锂聚合物电池）供电也受到很多限制，甚至是不可使用。其中原因有：（1）电池的使用增加了系统的体积，限制了系统的进一步微型化；（2）二是供能寿命有限，使用一段时间后需要更换电池或者充电；（3）一些场合如易燃易爆等危险情况下的更换问题难以解决；（4）电池本身还包含对身体或环境有害的铅、镉、汞等多种物质。因此，人们开始研究各种能量收集技术，作为电池的替代品，某些特殊的应用领域替代电池或自动为电池充电。用于微功率电子产品供电的各种能量收集技术的研究已成为国际上的一个研究热点。

1 压电陶瓷发电

压电效应分为正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应是指晶体由于机械应力的作用而使其介质化，并使其表面荷电的效应。反之，当外加电场于晶体时，晶体会产生形变，这边称之为逆压电效应。压电发电是利用压电材料的正压电效应将机械振动能量转变为电能，为网络传感器等微机电系统供。

压电发电有很多优点：结构简单、无电磁干扰、不发热、易于加工制作易于实现结构上的微型化、集成化等。这些特点决定了压电发电特别适用于为监测系统、传感器和微电子设备供能。

压电陶瓷具有压电性，即某些各向异性的晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现正负束缚电荷将其所产生的电荷用电容器或微电池等储存起来，然后通过设计的控制电路，可输出稳定的电流或电。本系统采用压电陶瓷作为能量源，提出了一种压电能量收集装置。

2 LTC-3588能量收集电路

目前关于压电能量收集电路设计中，采用的方案大多都是电荷捕捉电路，交流信号经过整流、滤波、调压和稳压后进行储存，但这样的设计较为复杂，而且在线路中的能量损耗较高，可摄取的有效能量很。

本设计采用凌力尔特的微弱能量收集芯片LTC-3588。LTC-3588集成一个低损耗、全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，通过压电传感器收集环境中的振动能量，然后将这种能量转换成良好的调节输出。LTC-3588输入电压为2.7～20V，通过数字位D0、D1可设定输出电压1.8V、2.5V、3.3V、3.6V，对应的静态输出电流仅有44nA、62nA、81nA、89nA。

通过对陶瓷压电片的不断按压，压电片产生的能量通过LTC-3588的PZ1、PZ2引脚输入，经过四个超低压降的二极管整流桥整流，再通过电容器将电荷存贮在电容器上，一旦电容器上充电电压达到低电压欠流检测（UVLO）上限时，LTC-3588的降压控制器（Buck Control）打开MOS管，将电容器上的电荷转移到输出电容上，当低于上限值时，然后关闭；如此往复，陶瓷压电片产生的的微弱的能量收集到电容器上存储起来。LTC-3588内部电路如图1所示。

在使用LTC-3588作为压电能量收集使用时，输入存储电容和输出存储电容的选取十分重要，当VIN端的存储电容选取过小，此时经过整流桥之后的VIN电压将迅速升高至高于UVLO，BUCK打开MOS管将能量传送到输出端，由于存储的能量很小，不足以提供负载工作。当VIN端的存储电容选取较大，电压上升时间过长，VIN端的电压将经过很长一段时间才能达到设定值。关于输出端存储电容器选择，也不能过大或者过小，过大则上升时间过长过小则负载无法工作。LTC-3588能量收集电路如图2所示。

3 压电能量收集应用实例

本文在基于LTC-3588压电能量收集电路的基础上，采用低功耗蓝牙芯片CC2541作为无线通信模块，实现点对点通信。系统结构框图如图3所示。

3.1 陶瓷压电片

本系统采用的压电片为陶瓷压电片。基片材质为黄铜#CW617N，压电陶瓷材质为P8-1，输出电压为0～48V，输出电流1～100μA，谐振阻抗小于100oHm，尺寸为40mm×30mm压电陶瓷片的形变越大，输出的能量越多，整流后的电压越高，可采集的能量越多，电容器可存储的能量也越多，给无线节点供电的性能也越好。陶瓷压电片按压发电如图4示。

3.2 LTC-3588能量收集

LTC-3588能量收集电路输入端滤波储能电容选用100uF/6V，输出端存储电容选用330uF/6V，设定输出电压为3.3V；通过对压电片的不间断的按压，储能电容两端存储的电荷越来越多，当电压高于UVLO时，给输出电容充电，输出端一点点增加到设定值3.3V，电容收集电路在60μ90s内能将电容充满电。充电过程如图5所示，CH1通道为输入端存储电容端电压，CH2为输出端存储电容端电压。

3.3 CC2541蓝牙模块

CC2541是TI公司推出的一款基于C51内核的超低功耗的蓝牙芯片，使用3.3V供电，在工作模式下最低只需要8mA的电流，休眠模式下仅需要0.5μA。由于蓝牙模块广播时最低需要8mA的电流，实验过程蓝牙模块最大广播时间设置为10s，一旦连接上，每五分钟发送一次数据，发送数据是消耗电流为8mA，其余时间为待机状态，待机消耗电流为1～10μA。

4 结束语

本文研究了压电能量收集方案及其应用实例，主要针对压电陶瓷片的震动或按压方式进行压力发电，将产生的微弱能量通过能量收集电路收集存储起来，作为电源给无线节点或其他低功耗设备供电。能量收集采用LTC-3588微弱能量收集芯片进行收集存储，能够有效的降低整流电路的损耗并提高效率，可设定输出电压；无线模块采用低功耗CC2541蓝牙芯片，实现了设备之间的无线通信功能。本文最大的优点就是为无线节点等设备实现了能量的的自给自足，不在需要外部电源或者电池供电，解决了目前无线终端或其他设备经常需要更换电池或者定期充电的困扰。