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。對于壓電設(shè)備，來自振動的能量可以為設(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)備提供動力的應(yīng)用。

 

與其他微型采集能源相比，振動和運(yùn)動是相對強(qiáng)大的環(huán)境功率源（圖1）。例如，放置在電動機(jī)上的振動動力傳感器可以在電動機(jī)運(yùn)行期間精確地獲得動力。在實(shí)際應(yīng)用中，壓電換能器可能用于給高效存儲設(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，用于在安靜時段存儲電荷;或超級電容器，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/運(yùn)動人體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，這些裝置產(chǎn)生與彎曲運(yùn)動的幅度成比例的AC電壓。為了用作振動傳感器，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)安裝在振動物體上時，這些設(shè)備會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。在振動驅(qū)動的微型采集應(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別最大持續(xù)振動的物體上的位置。

 

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物體的頻率分布并找到物體自身的諧振頻率。對于諸如電動機(jī)的一些應(yīng)用，振動的特性和共振頻率可能是眾所周知的。對于其他人而言，獲得充分理解需要使用加速度計(jì)測量物體的振動，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)的振動表征設(shè)備，即Mide VR001 Slam Stick振動記錄儀，用于幫助確定振動源的頻率分布。

 

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振動阻尼。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，兩者之間的最佳功率傳輸發(fā)生。因此，對于換能器，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)存儲的電壓超過此值（加滯后）時，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，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)換器在空載時消耗的電流小于10μA，待機(jī)時消耗10μA。但是，對于微型采集應(yīng)用，即使是這些單個設(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。）