一种低功耗的微弱能量收集电路设计*

荣　训，陈志敏，曹广忠

（深圳大学自动化研究所 深圳电磁控制重点实验室，广东 深圳 518060）



一种低功耗的微弱能量收集电路设计*

荣训，陈志敏，曹广忠

（深圳大学自动化研究所 深圳电磁控制重点实验室，广东 深圳 518060）

为了实现高效率地收集环境中的各种微弱能量，设计了一种低功耗的微弱能量收集电路。采用 LTC3588-1电源管理芯片为核心的电压变换电路、LTC4071充电控制芯片为核心的充电控制电路、TPL5100为核心的定时器电路搭建低功耗微弱能量收集电路，设计的电路能够将收集到的微弱能量转换为电能存储到锂电池或者提供给负载供电。实验结果表明，设计的低功耗微弱能量收集电路实现了微弱能量的收集，能量收集电路自身平均功耗低至182滋W，验证了收集微弱能量给无线传感器网络节点供能的可行性，电路因低功耗、低成本等优点，具有应用前景。关键词：微弱能量收集；电路；电压变换；低功耗

中文引用格式：荣训，陈志敏，曹广忠.一种低功耗的微弱能量收集电路设计［J］.电子技术应用，2016，42（7）：42-45，49.

英文引用格式：Rong Xun，Chen Zhimin，Cao Guangzhong.The design of a low-power circuit for ultra-low energy harvest［J］. Application of Electronic Technique，2016，42（7）：42-45，49.

0　引言

随着社会工业化程度越来越高，对能源的需求也越来越多。但是，自然界的能量是遵守能量守恒定律的，工业所需的电能总是由其他形式的能量转化而来。而目前的发电厂仍然以消耗石油、煤、天然气的火力发电为主流。根据目前的消耗速度，数十年后，我们发电厂所需的石油、煤炭等能源必将耗尽［1］。针对未来可能出现的能源危机，微弱能量的收集也受到了很大的重视，成为研究热点［2-3］。目前人们能够收集的微弱能量主要有以下几种［4］：

（1）光能：从环境中的光照中获取能量，如太阳光。

（2）热能：由具有温度差的环境中或得能量，如体温。

（3）振动能：在振动的环境中获取能量，如引擎的振动。

（4）摩擦能：通过物体的相互摩擦而产生能量。

本文设计了一种低功耗的微弱能量收集电路。利用LTC3588-1电源管理芯片为核心的电压变换电路、LTC4071充电控制芯片为核心的充电控制电路、TPL5100定时器电路设计的微弱能量收集电路，将收集到的能量存储到锂电池或者提供给负载供电。在将能量收集器接入电路的情况下，验证了微弱能量收集电路的可行性，以及以MSP430F149和nRF24L01为负载，证明了所设计的电路可以将收集到的微弱能量用来给负载供电。

1　多种微弱能量收集方法

1.1振动能量

环境中的振动能无处不在，且收集方便，目前对环境中振动能量的收集越来越受到人们的关注。通过压电材料制作成的振动能量收集器就可以收集环境中的振动能量［5］。近几年来基于压电效应发电的相关研究越来越多，最为著名的是由麻省理工学院研发的压电跑鞋，它是将一种压电材料的结构放在跑鞋的鞋底，通过人行走时脚跟的压力以及脚的弯曲产生的压力，通过压电材料将机械能转化成电能，穿上这种跑鞋人以0.8 Hz的频率行走时，最高可以产生3 V的电压，输出功率最大可以达1.3 mW，压电跑鞋的结构如图1所示。

图1　压电跑鞋结构图

1.2太阳能

太阳能是目前人类使用最广泛的能量之一，由于科学技术的提高，太阳能已经逐步走进了我们的生活，例如太阳能热水器。太阳能利用的是太阳能电池板通过光照后输出电能，利用太阳能发电有很多优势，例如它在发电过程中无污染、无噪声［6］。而且随着各国研究者对太阳能电池的深入研究，太阳能电池板对太阳能的转换效率也会不断提高，生产成本则会不断降低，太阳能发电技术在未来将会成为一项具有广阔发展前景的发电技术。图2所示是某光伏发电厂的太阳能电池板。

图2　太阳能电池板

1.3温差能量

在自然界和人工装置中，温度梯度和热流无处不在，这为我们从环境中收集温差能量提供可能。通过热电能量转换，可以将环境中存在的温度梯度和热流转换为电能。温差为有效的能量转换提供了电势，而热流则提供了功率［7］。虽然从热能中提取的功率很低，但是对于无线传感器这样的特殊低功率器件，温差能量收集是切实可行的，并且随着这些应用所需的功率不断降低，温差能量收集将被广泛采用。图 3是 2014年 Prijic A［8］等设计的温差能收集器实现了环境中温差能量的收集。

1.4摩擦能量

2006年美国佐治亚理工学院的王中林教授设计了一种摩擦生电和静电感应相结合的摩擦型纳米发电机［9］，这种发电机能够用来将物体间的摩擦能转化为电能。摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元，利用摩擦电效应，两个电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移，使得两种摩擦材料之间产生电势差，从而产生电能。如图 4是 Zhu Guang［10］等最近做成的旋转摩擦纳米发电机的结构图，通过转子的转动，带动定子转动，使得电极与转盘摩擦，然后产生电能，从而实现摩擦能量的收集。

图3　温差能收集器的结构图

图4　旋转摩擦纳米发电机结构图

2　微弱能量收集电路

传统的微弱能量收集电路主要包括桥式整流电路、电荷同步获取电路和电感同步开关电路，能量存储装置采用超级电容或充电电池。传统的能量收集电路，电路压降大，电路自身能耗过大，且输出电压不稳定，使得电路的收集效率很低。为了尽可能多地收集到更多的能量，本文使用LTC3588-1电源管理芯片为核心的电压变换电路来进行整流和稳压，利用LTC4071充电控制芯片为核心的充电控制电路，将收集到的富余能量进行存储，在能量收集不足的情况下，给负载备用供电，采用TPL5100定时器电路来定时输出电能，以达到节约电能，延长电池工作时间的目标。系统框图如图5所示。

图5　系统的框图

2.1电压变换电路

电压变换电路以LTC3588-1电源管理芯片为核心。LTC3588-1是美国凌力尔特公司推出的新型电源管理模块，以优化对低压电源的管理。LTC3588-1内部电路可以分为4个模块：输入端整流限压模块、滤波模块、DC-DC稳压模块。而且LTC3588-1的自身功耗极低，输出能力强，静态工作电流只有 950 nA，输出电流最大可以达到 100 mA。PZ1、PZ2的输入既可以是交流也可以是直流，使之可以满足更多的场合。同时，Vin端接地的稳压二极管使得转化后的电压控制在20 V以内，起保护电路的作用。电压变换电路如图6所示。

图6　电压变换电路

2.2充电控制电路

充电控制电路以 LTC4071充电控制芯片为核心，LTC4071能够实现从低电流、断续或连续电能对锂离子/锂聚合物电池充电。LTC4071提供了可通过ADJ引脚来选择3种不同的浮置电压功能，当引脚接地时，浮置电压为4.0 V；当引脚悬空时，浮置电压为4.1 V；当引脚接高电平时，浮置电压为4.2 V，该浮置电压的准确度达±1%。通过在 NTC热敏电阻温度高于40℃时自动降低电池浮置电压，该器件的集成化电池热量查验器延长了电池的使用寿命并改善了可靠性。另外，LTC4071还提供了通过 LBSEL引脚来选择电池低电量的断接电平和通过HBO引脚来指示电池高电量状态输出。充电控制电路如图7所示。

2.3定时器电路

定时器电路的核心是TPL5000定时器芯片。TPL5000是德州仪器推出能显著降低系统待机功耗的可编程系统定时器。支持看门狗定时器且流耗仅 30 nA。此外，它还可替代微控制器（MCU）的内部定时器，由于系统大多数时间都处于睡眠或断电模式下，但MCU内部定时器的功耗非常大。而TPL5000的流耗远远低于MCU定时器，可显著降低功耗，从而减少60%至80%的总功耗，延长这些系统的工作时间。

图7　充电控制电路

TPL5000可编程定时器通过 DO、D1、D3引脚来选择定时器的延迟时间，可选定时延迟在1～64 s之间。当PDOOG引脚为高电平时，定时器开始计时，定时时间到后，WAKE引脚输出持续时间为 15 ms左右的高电平，高电平的值约等于VCC的值。因此，它能为测量数据变动缓慢的无线传感器节点间断供电，可进一步延长传感器等众多应用的电池使用寿命。定时器电路如图8所示。

3　实验测试与结果

由于环境中振动无处不在，而且便于收集，因此本文使用的微弱能量收集器是压电能量收集器。压电能量收集器是利用压电效应，将机械振动能量转换为电能。悬臂梁式能量收集器结构是最常见的振动能量收集器结构［11］，图 9所示为一典型的压电双晶悬臂梁式的能量收集器，悬臂梁中间是金属层，在金属层的上下表面都贴有压电陶瓷作为压电层。一端固定于基座中，另一端为自由端，自由端上附有一个质量块。基座置于环境中，当它受到振动源作用上下振动时，梁的自由端在惯性作用下也将上下运动，悬臂梁将发生弯曲变形，上下表面的压电陶瓷一个受拉，一个受压，压电陶瓷中产生横向应力，将在压电层上产生电荷，从而将机械的振动转换为电能。

图8　定时器电路

测试中，用激振器来产生振动，来激励压电能量收集器，用于实验压电双晶片的中间层长度为70.25 mm，宽为53.09 mm，厚度为0.2 mm；压电层长度为 50.33 mm，宽为50.33 mm，厚度为0.2 mm。然后将能量收集器接入到微弱能量收集电路中，以MSP430F149和nRF24L01为负载组合成无线传感器网络节点，进行无线传输的实际测试。测试电路的原理图如图10所示。

图9　压电能量收集器结构图

图10　电路的原理图

图11　定时器输出的波形

实验中，电压变换电路将能量收集器产生的电压进行变换，输出稳定直流电压给负载供电，如果能量收集器产生的电能多，则可以给负载供电的同时，给电池充电，如果收集的能量不够，则可以由电池来反向供电。如图11所示，定时器选择的定时间隔是1 s，每隔一秒，TCAL端产生一个持续15 ms的高电平，触发MSP430F149，让它从低功耗状态进入正常的工作模式，无线传感器 NRF24L01也从待机模式进入发射状态，然后把数据通过 NRF24L01发送出去，另外一端用相同的传感器去接收所发送的数据，无线发射传感器发射的距离为10 m以上，整个发射的过程持续时间2 ms。整个电路消耗的平均功率为182滋W左右，如果在实际应用中，选择的时间间隔更长，那么电路所消耗的功率将更小。

4　结论

微弱能量收集实现了将环境中其他形式能量转换为电能，可以将收集到的电能做为电池供能的一个补充，用来延长电池的使用寿命以及解决特殊环境里的电池更换问题。本文设计的低功耗微弱能量收集电路，能够实现对环境中多种微弱能量的收集。实验结果表明，与传统的微弱能量收集电路相比，本文设计的低功耗微弱能量收集电路实现了微弱电能的收集，将电路的功耗降低到了182滋W，验证了给低功耗器件供能的可行性。由于微弱能量的收集具有节能、环保、易于实现等特点，因此作为新型能源将具有良好的应用前景。

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The design of a low-power circuit for ultra-low energy harvest

Rong Xun，Chen Zhimin，Cao Guangzhong
（Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control，Institute of Automation Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）

In order to achieve the high efficiency of harvesting various ultra-low energy in the environment，a low-power circuit for ultra-low energy harvesting was designed.Using a voltage convert circuit which is mainly supported by power management chip LTC3588-1，a charging control circuit whose core is charging control chip LTC4071 and a ultra-low harvest circuit which is designed by timer circuit TPL5100，the circuit could storing the energy harvested to lithium battery or supplying power to load.According to the experimental result，the circuit can be used to harvesting the ultra-low energy and the average power consumption of the circuit is low to 182uw，which verifies the feasibility of the network node energy supply.The circuit has the advantages of low power consumption，low cost and so on，and will have prospects.

ultra-low energy harvesting；circuit；voltage converted；low-power

TN712.5

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.010

国家自然科学基金（51275312）；深圳市战略新兴产业发展专项资金（JCYJ20140418182819160）

2016-01-05）

荣训（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：能量收集技术。

陈志敏（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：能量收集技术。

曹广忠（1968-），男，教授，博导，主要研究方向：先进控制理论及其应用、新能源发电与收集。