一种自供能压电能量收集系统的设计与实现

赵宇恒 ，梁俊睿 ，赵 康

（1.中科院上海微系统与信息技术研究所上海200050；2.上海科技大学上海201210）

压电能量收集技术将环境中广泛存在的振动能量收获、集中、并转换为可利用的电能，为诸如可穿戴式健康检测、监测设备和无线传感器网络节点的物联网设备等低功耗设备供电[1-4]。压电能量收集最简单的接口电路为传统的桥式整流电路，也称为标准俘能接口电路（Standard Energy Harvesting，SEH）。文献[5]中首次提出并联同步开关（Parallel Synchronized Switching Harvesting on Inductor，PSSHI）接口电路。相对于简单的SEH，基于SSHI接口电路在理想条件下可大幅度提高机电等效耦合系数，使压电能量收集能力大幅提升达900%。随后基于这种同步开关技术的各类研究论文大量涌现，以进一步提高能量收集功率，如同步电荷提取[6]、预偏置[7-9]、能量投入与回收[10-11]，同步电压多次翻转[12]；或改善能量收集动态特性[13-15]。

然而，这类电路均需要一种称为“同步电压翻转”的控制过程，需要对压电换能器输出电流进行过零检测或电压的极值检测，以往的研究几乎都采用额外的位移传感器、运算比较放大电路和微控制器以驱动有源开关网络，显然这些功能模块都需要外部供电，其耗能在一些应用场景中甚至超过收集到的能量。为了解决该问题，文献[16]首次提出了一种自供电压电能量接口电路SP-SSHI（Self-Powered SSHI），自动实现电压极值检测与同步电压翻转。文献[16]提出了具有互补对称结构的改进型串联SP-SSHI，提供了改进型SP-SSHI工作原理的详细分析与电路的设计公式。然而文献[17]仅在单频正弦谐振激励下对单自由度悬臂梁压电结构的收集功率进行了详细的分析，负载也仅为单纯的电阻，缺少整体的系统设计与连接实际负载（如无线传感器）条件下性能表现的分析。实际压电能量收集系统所处的环境激励通常是无规则的随机振动或者是一系列的冲击振动，目前鲜有相关研究指出SP-SSHI接口电路在这类振动激励下的性能表现，基于SP-SSHI的压电能量收集系统的设计较少。

文中根据文献[17]提出一种改进型的并联型SP-SSHI，并基于此设计用于低功耗无线传感器的自供能压电能量收集系统，实现压电陶瓷在无规则振动激励及无额外传感器条件下，不间断为一低功耗蓝牙传感器供电。

1 同步电压翻转

在压电能量收集领域中被广泛使用与研究的SSHI接口电路的工作原理可归结于一种叫做“同步电压翻转”（Synchronized voltage bias-flip）的过程（如图1）：当压电换能器输出电流过零点或者电压达到极值点时（根据压电换能器的特性可判断此时电流过零），通过电子开关网络将Cp连接到一电感Li，利用RLC串联谐振欠阻尼下的瞬态响应特性，电压vp将在ΔT内，从V0快速翻转至第一个极值点V1（如图1所示），其中ΔT为

同步电压翻转系数γ定义为：

图1 同步电压翻转瞬态波形

其仅与LiCp谐振回路的品质因素Q有关。Vb为电压翻转过程的参考电压，对并联型P-SSHI，Vb=0而对串联型SSHI，Vb为负载电压Vo。由于该过程相对于环境中的机械振动周期极短，此时可近似认为电压vp与电流ieq同相。

传统有源功率因素矫正电路的性能与特性通常在频域的特定谐波频率下分析。但现实环境中的机械振动是宽带、无规律甚至是完全随机的白噪声。同步电压翻转利用压电换能器容性阻抗的特点，根据电流过零点，直接对时域电压波形进行矫正，适用于无规律机械振动条件下，压电能量收集功率因素的提高。

2 压电接口电路

文中所提出的压电接口电路基于文献[17]的串联型SP-SSHI的变形电路：并联型SP-SSHI。如图2所示，该压电接口电路可大致分为3个部分：压电换能器、电压翻转支路和能量收集支路（也即桥式整流电路），3个部分以并联方式连接。电压翻转支路即并联型SP-SSHI电路由3个部分组成：包络检测器、电压比较器和双向开关。串联型SP-SSHI电路结构与前者类似，不同之处在于位于能量收集支路的负载串接T1、T2公共节点与电感L之间，两种电路在压电材料开路输出电压Voc远大于二极管导通压降VF条件下，最大输出功率随Voc的进一步增大分别逼近理想P-SSHI和S-SSHI，其最大输出功率可表达为

图2 并联型SP-SSHI压电接口电路

其中Io为压电等效电流源幅值，ω为激励振动角频率。在实际应用中，品质因素Q约为5，P-SSHI和S-SSHI的最大输出功率输出之比约为1，串联型SP-SSHI与并联型SP-SSHI的最大能量收集功率理论上限可认为相等。

下面介绍并联型SP-SSHI正半周期基本工作原理，每个阶段电路不工作的部分被隐藏以突出电路各工作过程的电流（能量）流动。如图3所示，SPSSHI半个周期的工作过程可大致分为4个阶段：

1）开路阶段，图3（a）：ieq同时为Cp，C1和C2充电，vp逐渐上升。由于压电换能器输出电压vp在开路下与ieq的积分成正比。寻找电流过零点可等效为寻找vp的极值点。电路通过R1、D3和C1组成的包络检测器来检测vp最大值的包络，与之相应的R2、D4和C2则检测vp最小值的包络。

图3 SP-PSSHI正半周期工作原理

2）恒电压阶段，图3（b）：随着vp上升，能量收集支路的整流桥导通，vp被钳位至Vo。

3）同步电压翻转阶段，图3（c）：当vp趋于下降时，由三极管T1构成的比较器将vp和其最大值包络进行比较。比较器的输出（T1集电极）将会驱动相应的T2导通，构成Cp-D1-T2-L串联谐振回路，产生图1所示的电压翻转波形。注意到，由于电压翻转过程实质利用了串联谐振回路前半个周期的瞬态过程，对于没有微控制器控制开关闭合的SP-SSHI，在经过ΔT后，vp开始趋向于震荡，但由于D1-T2构成单向开关，L中电流没有逆向回路，因此vp会直接开始进入下半周期的开路阶段。

4）电荷中和阶段，图3（d）：由于ieq在开路阶段将C2充电至V0-VBE（VBE为基-射导通压降），正半周电压翻转后C2将其电荷反向冲至C1和Cp，导致电压翻转后vp的电平会被略微抬高，可通过适当减小C2（或C1）降低该非理想充放电的影响。

对于负半周期，电路有类似的工作过程。从工程应用的角度，并联型SP-SSHI可看作一个自动实现电压翻转且无需外部供电的“无源器件”只需要简单地并联到现有的压电换能器与桥式整流电路支路上就能显著地提高能量收集功率，相对于串联型SP-SSHI需要断开原有电路进行串联，后者更易于集成到现有系统中。电路元器件的具体参数如表1所示。

表1 SP-SSHI电路器件参数

3 压电能量收集系统设计与实验

图4展示了所提出的用于无线传感器压电能量收集的电原理图。压电换能器将外部环境的机械能转换为电能，通过压电接口电路SP-SSHI进行同步电压翻转，提高功率因素，进一步提高能量收集功率，此时输出电压仍为交流信号，需要通过整流转换为直流信号并存储在储能装置（大容量电容或超级电容）中。稳压电路需要高效率地对整流后的输出电压降压稳压，为低功耗终端负载（无线传感器）供电。每个无线传感器节点均具有相同的结构，可分布式地收集当地的振动能量，测量环境中的各种物理量，并把数据通过无线信道发送到无线网关汇总与处理。

图4 用于无线传感器的压电能量收集系统电原理图

在本设计中，共振音箱用于（如图5（a））模拟自然环境振动源，为压电换能器提供机械激励，压电换能器由5片廉价易得的压电蜂鸣片（压电陶瓷PZT，基底为黄铜）叠堆而成。压电接口电路SP-SSHI、整流稳压电路和滤波储能电容Cr在一块一元硬币大小的PCB电路板的正反两面分别实现。整流与稳压电路集成于一块专用的压电能量收集芯片LTC3588-1（Linear Technology Co.），文献[18]亦有基于该芯片的压电能量收集设计。其内部带有20 V稳压齐纳管保护的二极管整流桥和一个具有高转换效率的buck型DC-DC变换电路，将SP-SSHI输出的交流信号整流并降压稳压到3.3 V，为终端蓝牙模块供电，具体外围器件参数见表2。

表2 LTC3588-1外围器件参数

终端负载为蓝牙4.0模块基于TI CC2541（Texas Instruments）片上系统，包括一个片上温度传感器、微控制器和板载天线，可实现环境温度的传感、数字处理与主机之间的无线收发。为了应对上电启动和连接阶段较大的突发能耗和环境振动激励不稳定性，本设计采用大容量电容为Cr作为缓冲电容，起到稳压与能量储存的作用。在本设计中，蓝牙模块每5 s进行一次温度传感并向智能手机无线发送一次当前的温度数据。

图5 基于压电能量收集的蓝牙传感器节点的原型设计

共振音箱预录了一段有汽车经过时，桥梁振动的波形。图6（a）展示了在该不规则激励下，压电换能器输出电压vp与相对振动速度ẋ（与输出电流呈正比）的波形。从图6（b）可以观察到，电流过零点后的一个较小相位延时φ后，vp从Vo下降到电压Von，此时SP-SSHI对vp进行同步电压翻转，使vp从Von翻转到Voff，强制使电压与电流同相。理想时，φ为零，电流过零瞬间立刻进行电压翻转。该相位差为非理想因素，与二极管管压降VF、三极管基-射导通管压降VBE（on）和压电片开路输出电压Voc3个参数有关。随着φ增大，能量收集功率减少。

图6 无规则冲击振动下压电材料响应电波形

为了进一步减少φ、二极管与三极管导通损耗，缩小电路整体体积，本设计根据实际应用场景改进了器件选型，采用了贴片封装的肖特基二极管SS14和一致性良好的小功率互补对管XN4601（单个封装包含一对小功率互补三极管）代替了原设计中的所采用的普通直插二极管1N4004和中功率互补对管TIP31C（NPN型）和TIP32C（PNP型）。表3对比了在相同开路电压下，两种不同器件选型下同步电压翻转相位差φ。显然在更优的器件选择下，相位差进一步下降，电压翻转瞬时耗散在三极管和二极管上的能量将会更小。

表3 器件选型与相位差对比

图7 在相同不规则振动激励下，使用SEH和SP-SSHI接口电路时，测试电容电压随时间变化情况

图7对比了在相同无规则冲击激励下，SEH和SP-SSHI接口电路对一个较小容值的测试电容充电的表现以评估两种接口电路的平均收集功率。在5 s的测量时间内，接入SP-SSHI的电容电压Vo为接入SEH的近2.5倍，根据电容电压与电荷间的关系：

前者的能量收集功率为289 μW，后者为49 μW，SP-SSHI相对于SEH，能量收集平均功率提升约为4.9倍。值得注意的是，在文献[16]和文献[17]中，单频正弦谐振激励下SP-SSHI收集平均功率相对于SEH分别仅有1.6和2倍的提升，而在不规则振动激励下，SP-SSHI相对于SEH表现出更高的效俘能效率的提升。

4 低功耗蓝牙传感器功耗分析

蓝牙无线传感器作为压电能量收集系统的终端负载，有必要对其功耗进行具体分析，以验证收集系统能否满足负载的需求。

如图8（a）所示，在蓝牙模块与通信终端建立联系后，两次数据的收发间隙并不需要持续工作，模块进入休眠状态以节省能耗，仅在在温度传感与数据传输瞬间，产生一次突发耗能。如图8（b），放大数据无线传输过程，可以观察到，该过程实际由多个阶段组成，涉及到蓝牙协议中的各个规范。

图8 低功耗蓝牙数据传输功耗波形图

为了简化测量，我们通过对每个阶段进行分段线性化，并利用公式（6）计算出蓝牙的平均功耗。其中电源电压Vs=3.3 V，N为每次温度传感与数据收发期间经历的阶段数，iˉn和Δt分别为每个阶段的平均电流和持续时间，ΔTtransfer为数据传输周期5 s。利用该公式可计算出蓝牙数据传输阶段的平均功耗为103 μW，使用SP-SSHI完全能满足无线传感器的连续工作，而使用SEH则需要更长的数据传输周期或更大的振动激励。

在实际测试中，共振音箱持续为系统提供振动激励，在长达一个小时的测试中，缓冲电容电压值缓慢上升并最终达到平稳，系统收集到的能量除了用于蓝牙模块以外，额外的能量被存储在缓冲电容Cr中，整个测试期间未出现由于能量不足而出现连接中断或蓝牙模块断电关机的情况。

5 结 论

本研究提出并分析了一种改进型的自供能压电振动能量收集接口电路：并联型SP-SSHI。该电路能够在无规律振动中实时检测压电换能器输出电压信号的峰值并自动进行同步电压翻转，无需额外传感器、外部供电与微控制器，相对于传统桥式整流电路SEH，极大地消除无功功率、提高等效机电耦合系数，在无规则振动激励下平均能量收集功率提升接近5倍；相对于P-SSHI电路，则极大地精简了外部控制电路，降低了控制所需能耗，进一步缩小体积，使接口电路更易于系统集成与实际的工程应用。实验分析同时表明，以往研究所使用的单频正弦激励所得结论并不能完全反应SP-SSHI在实际环境中的性能表现。基于SP-SSHI设计的用于无线传感器供电的压电能量收集系统相对于SEH，能够高效地收集环境中广泛存在的振动能量，为低功耗蓝牙的温度传感与无线传输不间断供电。

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