微型采集或能量清除依賴于從微小但普遍的環(huán)境能源中提取能量，例如光，熱，RF或振動(dòng)。對(duì)于壓電設(shè)備，來自振動(dòng)的能量可以為設(shè)備或結(jié)構(gòu)監(jiān)控提供低功率應(yīng)用，例如難以到達(dá)和維護(hù)的無線傳感器。通過遵循一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素，工程師可以構(gòu)建由Parallax，Measurement Specialties/Schaevitz和Mide Technology的壓電傳感器以及凌力爾特公司的電源管理設(shè)備提供動(dòng)力的應(yīng)用。

 

與其他微型采集能源相比，振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)是相對(duì)強(qiáng)大的環(huán)境功率源（圖1）。例如，放置在電動(dòng)機(jī)上的振動(dòng)動(dòng)力傳感器可以在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間精確地獲得動(dòng)力。在實(shí)際應(yīng)用中，壓電換能器可能用于給高效存儲(chǔ)設(shè)備充電，而不是直接向應(yīng)用電路提供電力。例如，典型的微型采集設(shè)計(jì)可能包括專用電池，例如Cymbet Enerchip，用于在安靜時(shí)段存儲(chǔ)電荷;或超級(jí)電容器，例如Eaton HB系列設(shè)備，用于在峰值負(fù)載期間確保足夠的功率用于無線數(shù)據(jù)傳輸。

 

能源采集功率振動(dòng)/運(yùn)動(dòng)人體4μW/cm²工業(yè)100μW/cm²溫差人類25μW/cm²工業(yè)1-10 mW/cm²光室內(nèi)10μW/cm²室外10 mW/cm²RFGSM0.1μW/cm²WiFi0.001 mW/cm²

 

圖1：振動(dòng)源可作為重要的環(huán)境能源。 （由德州儀器公司提供。）

 

工作原理

 

壓電晶片由陶瓷如鋯鈦酸鉛（PZT）或含氟聚合物薄膜如聚偏二氟乙烯（PVDF）制成。當(dāng)受到導(dǎo)致它們彎曲的機(jī)械力時(shí)，這些裝置產(chǎn)生與彎曲運(yùn)動(dòng)的幅度成比例的AC電壓。為了用作振動(dòng)傳感器，這些材料通常安裝在懸臂結(jié)構(gòu)中，一端安裝在固定平臺(tái)上，另一端固定有調(diào)諧質(zhì)量（圖2）。例如，Parallax 605-00004，Measurement Specialties 0-1002794-0和Mide Technology VR001都以這種基本懸臂設(shè)計(jì)的各自變體形式提供。

 

圖2：典型的壓電傳感器，如Measurement Specialties LDT系列的這一成員，將壓電晶圓封裝成懸臂式設(shè)計(jì)，一端連接物體，通過固定在相對(duì)自由端的調(diào)諧質(zhì)量確定的共振頻率彎曲。 （由來源提供：Measurement Specialties。）

 

當(dāng)安裝在振動(dòng)物體上時(shí)，這些設(shè)備會(huì)以特征共振頻率彎曲，這取決于它們的物理特性，包括它們的質(zhì)量。通過改變質(zhì)量，工程師可以改變換能器的諧振頻率。在振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微型采集應(yīng)用中，壓電傳感器的有效性在很大程度上取決于其正確的放置和調(diào)整。反過來，最佳放置和調(diào)諧在很大程度上取決于壓電器所附著的裝置的特定性質(zhì)。最佳位置自然取決于識(shí)別最大持續(xù)振動(dòng)的物體上的位置。

 

諧振頻率

 

為了調(diào)整壓電換能器的性能，工程師需要充分了解振動(dòng)物體的頻率分布并找到物體自身的諧振頻率。對(duì)于諸如電動(dòng)機(jī)的一些應(yīng)用，振動(dòng)的特性和共振頻率可能是眾所周知的。對(duì)于其他人而言，獲得充分理解需要使用加速度計(jì)測量物體的振動(dòng)，并使用快速傅里葉變換（FFT）分析來分析捕獲數(shù)據(jù)的頻率特性以找到共振頻率。 Mide Technology提供專業(yè)的振動(dòng)表征設(shè)備，即Mide VR001 Slam Stick振動(dòng)記錄儀，用于幫助確定振動(dòng)源的頻率分布。

 

通過改變壓電傳感器的負(fù)載質(zhì)量，工程師可以調(diào)整其諧振頻率以匹配附著物的頻率。制造商通常提供負(fù)載相關(guān)的共振頻率曲線，記錄這種影響。例如，Measurement Specialties LDT系列設(shè)備的數(shù)據(jù)表記錄了諧振頻率的變化，從180 Hz，無負(fù)載到90，60，最后40 Hz，因?yàn)樨?fù)載質(zhì)量增加約0.26 g（圖3） 。

 

圖3：增加懸臂式壓電傳感器上的調(diào)諧質(zhì)量會(huì)使諧振頻率 - 在這種情況下從180 Hz無負(fù)載質(zhì)量轉(zhuǎn)換為90，60和40 Hz，每增加0.26 g負(fù)載質(zhì)量。 （由Measurement Specialties提供。）

 

憑借其Volture系列傳感器，Mide提供一系列設(shè)備，以適應(yīng)各種頻率曲線和性能目標(biāo)。 Volture系列基于Mide的QuickPack制造工藝，將一對(duì)壓電晶圓包裹在保護(hù)層中，以隔離器件。晶片可單獨(dú)使用或串聯(lián)配置以增加電壓或并聯(lián)配置以增加電流。 Volture提供一系列鎢調(diào)諧質(zhì)量塊，用于物理加載其壓電傳感器以進(jìn)行諧振頻率調(diào)諧。

 

電氣負(fù)載

 

然而，除了這種物理負(fù)載外，壓電器件的機(jī)械特性也會(huì)隨著器件的電氣負(fù)載而發(fā)生變化。實(shí)際上，這種稱為壓電分流的方法用于在諸如下坡滑雪板和空間結(jié)構(gòu)之類的物體中提供主動(dòng)振動(dòng)阻尼。在這里，工程師使用從簡單RLC電路到有源器件的分流電路來調(diào)整壓電電阻的阻尼特性。

 

確實(shí)，確保壓電傳感器的最大輸出需要注意其負(fù)載。為確保正確加載，工程師可以使用高效電源管理電路（圖4），包括橋式整流器（D1-D4），低功耗比較器（U1）和降壓轉(zhuǎn)換器（U2）。

 

圖4：通過將壓電器件保持在固定電壓，該電路可保持器件的最大功率輸出。 （由Mide Technology提供。）

 

在這個(gè)電路中，降壓或降壓轉(zhuǎn)換器將壓電傳感器與下游應(yīng)用電路的負(fù)載隔離開來，并將壓電器件看到的阻抗保持在優(yōu)化傳輸效率所需的值。 。這種匹配可以通過將壓電傳感器及其負(fù)載視為電阻分壓器中的一對(duì)電阻器的等效網(wǎng)絡(luò)來確定 - 在壓電傳感器操作的任何給定頻率和幅度下的可靠近似。

 

在此等效網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)電阻值相同時(shí)，兩者之間的最佳功率傳輸發(fā)生。因此，對(duì)于換能器，與負(fù)載的阻抗匹配發(fā)生在換能器的負(fù)載電壓保持在其開路電壓（Voc）的一半的值處。所示電路（圖4）用于將傳感器的工作電壓保持在Voc/2。

 

這里，存儲(chǔ)電容器C1充電直到達(dá)到由R1和R2的值確定的Voc/2值。當(dāng)存儲(chǔ)的電壓超過此值（加滯后）時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器使能，從C1汲取，直到C1的電壓低于滯后閾值。此時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器被禁用，重復(fù)C1的充電和放電循環(huán)。在整個(gè)過程中，C1處的電壓幾乎保持恒定。結(jié)果，壓電器件大致保持在Voc/2，并且實(shí)際上不受降壓轉(zhuǎn)換器的操作或來自下游電路的負(fù)載的影響。

 

工程師可以使用低功耗器件構(gòu)建這種類型的電路，例如凌力爾特公司的LTC1540低功耗比較器和凌力爾特公司的LTC1474降壓轉(zhuǎn)換器。 LTC1540比較器的電源電流小于0.6μA，靜態(tài)電流為0.3μA，只需兩個(gè)外部電阻即可建立比較器遲滯閾值。同樣，LTC1474降壓轉(zhuǎn)換器在空載時(shí)消耗的電流小于10μA，待機(jī)時(shí)消耗10μA。但是，對(duì)于微型采集應(yīng)用，即使是這些單個(gè)設(shè)備的最低功率要求也可能難以通過可用的稀疏功率預(yù)算來支持。凌力爾特公司通過LTC3588-1壓電能量收集電源IC解決了這些問題，該電源將微型采集電源管理電路的關(guān)鍵組件集成在一個(gè)器件中。該器件僅需少量外部元件即可提供完整的壓電能量清除電源設(shè)計(jì)（圖5）。

 

圖5：Linear Technology LTC3588-1除壓電傳感器外僅需要少量外部元件，以提供完整的微型采集電源。 （由Linear Technology提供。）