振动能量电路设计论文范文

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1振动能量收集优化分析

由于振动能量收集器输出的是交流电压（电流）信号，所以首先要使用整流电路将其转换为直流电压，如图2所示。其中，Cs是存储电容，用于累积收集的电量，i0（t）表示整流电路输出电流值，Vs表示整流电路输出电压值。此时，Vs称之为振动能量收集器整流输出电压的最优值，影响因素包括Ip、f和Cp。而Ip又取决于振动幅度，f代表振动频率，Cp由压电材料特性决定，可以认为是一个常量。由此可以推出，振动能量收集器输出的交流电压（电流）信号存在一个最优值，且由振动幅度、频率和压电材料特性决定。所以，振动能量收集器的生产厂商一般会给出特定振动频率下，收集器输出功率与工作电压和振动幅度的关系曲线。以测试采用的MIDE公司生产的VOLTURE系列振动能量收集器V25W为例，振动频率为40Hz时，振动幅度分别为0.25g、0.375g、0.5g和1.0g的情况下，使输出功率最大化的等效开路电压分别为4V、7V、8V和15V。

2振动能量收集电源设计

收集到的电能转换为直流后，还需要经过稳压电路才能供负载使用。传统的方法中，整流电路和稳压电路采用整流二极管、存储电容、保护二极管和三端稳压器等分立器件组合而成，电路调试难度大，转换效率低下。凌力尔特公司最近生产出一款专用于振动能量收集的电源芯片LTC3588-2，内部集成了整流桥、稳压及控制电路，由它构成的电源电路非常简单，如图3所示。其中，PZ1和PZ2引脚连接振动能量收集器，D0和D1引脚用于选择输出电压值（3.45V、4.1V、4.5V、5.0V可选），此电路选择为5.0V输出，Pgood引脚作为稳压电源“准备好”的提示信号。

电路使用的元器件中，比较关键的是输入端存储电容Cs的选择。在振动能量收集电路中，存储电容最重要的特点是低泄漏电流，而等效串联电阻值并不重要，考虑泄漏电流、充电能力和电气参数稳定性等指标对电路的影响，TRJ系列钽电容是振动能量收集的最佳选择，所以Cs选择容量为22μF、耐压25V的TRJ钽电容。

3测试与结论

使用振动台作为振动源模拟环境振动，选用振动频率40Hz、振动幅度1.0g的MIDE公司的V25W振动能量收集器以悬梁臂的结构固定在振动台上，并在其末端粘贴约16g的重物，用于将收集器自身频率调节到40Hz，以匹配振动源频率。

振动台起振后，振动能量收集器输出的交流电压非常平滑，符合正弦信号的特征，其峰峰值大约13V，非常接近输出功率最大时的开路电压，信号周期25ms，频率与振动源频率一致。LTC3588-2将交流电压转换成直流电压后给输入端存储电容Cs充电，Cs两端电压Vs慢慢爬升，一旦越过上升沿门限电压（16V），芯片打开其内部稳压电路，将Cs上的电荷搬移到输出端存储电容C2上，输出电压VO瞬间爬升到5V，给负载供电。与此同时，“准备好”信号Pgood置为高电平，提示稳压电源可以使用。当Vs由于电荷的搬移下降到下降沿门限电压后，芯片关闭其内部稳压电路，停止搬运Cs上的电荷，使Cs两端的电压再次慢慢爬升。

测试结果表明，合理安装振动能量收集器并连接到开发的电源电路板，能够产生断续的5V稳定电压，可以广泛用于低功耗、短工作时间的无线传感器设备上。

作者：王忠民张延波郭林鑫徐文青单位：山东省科学院自动化研究所