一种振动能量采集器的匹配电路研究

李志 宋科 练利锋 裴军芳

摘  要： 针对Terfenol?D/PZT/Terfenol?D复合磁电换能器将环境振动能量转化为电能时，在低频环境下难以实现匹配的情况，提出一种非线性开关匹配电路的方法。该电路在较小的电感和较高的开关频率下，以非线性的方式提高了复合换能器功率的匹配输出。并且针对换能器输出不能直接为无线传感节点供能的问题，设计了一种存储和电源管理电路。实验结果表明，采用非线性开关匹配电路，输出提高2.1倍，当存储超级电容电量积累到一定程度，管理电路控制瞬间放电电路放电，成功驱动最大功耗为75 mW的无线传感器节点正常工作，放电时间持续620 ms，最大放电功率可达120 mW。

关键词： 换能器; 振动能量采集; 非线性; 开关匹配电路; 电源管理电路; 无线传感节点

中图分类号： TN710?34                        文献标识码： A                           文章编号： 1004?373X（2019）09?0172?05

Study on matching circuit of vibration energy harvester

LI Zhi， SONG Ke， LIAN Lifeng， PEI Junfang

（School of Mathematics and Information Engineering， Chongqing University of Education， Chongqing 400065， China）

Abstract： The Terfenol?D/PZT/Terfenol?D composite magnetoelectric transducer can transform the environmental vibration energy into electric energy， but it is difficult to match the power in low frequency environment. Therefore， a method of nonlinear switch matching circuit is presented. The nonlinear processing technique can improve the power matching output of composite transducer when the circuit works at the conditions of small inductance and high switching frequency. Since the output of Terfenol?D/PZT/Terfenol?D magnetoelectric composite transducer can′t directly supply the power for wireless sensor node， a storage and power management circuit is designed. The experimental results show that the output power of the nonlinear switch matching circuit is increased by 2.1 times. When the electric quantity stored in super?capacity is accumulated to a certain level， the management circuit controls the discharging of instant discharging circuit， and successful drives the wireless sensor node with maximum power consumption of 75 mW， the discharging time can last for 620 ms， and the maximum discharging power can reach up to 120 mW.

Keywords： transducer; vibration energy harvesting; nonlinear performance; switch matching circuit; power management circuit; wireless sensor node

0  引  言

目前无线传感节点在电能供给的方式上，一般采用电池对各种节点供电。尽管电池的储能密度和使用寿命不断得以提高，传统化学电池仍具有一些无法改变的供能缺点：体积大、质量大、供能寿命有限，能量耗尽需重复充电。随着无线网络广泛的分布，传感节点数目越来越庞大，并且由于有些节点的分布位置难以到达，人为更换电池变得极为不便甚至于不可能，因此将采集环境中其他形式的能量转化为电能成为了研究热点[1?3]。

近年来，文献[4?6]对Terfenol?D和PZT复合磁电换能器进行了研究，发现磁电换能器具有的磁电电压系数很大，谐振磁电转换系数较高。文献[7?8]将Terfenol?D/PZT/Terfenol?D复合磁电材料作为磁电换能器用于振动能量采集，环境振动转化为换能器旋转运动，实现机械能?磁场能?电能的转换。

由于换能器输出功率和负载有关系，如果直接和存储电路相连，存储效率很低，输出功率不到20 μW，本文提出一种非线性开关匹配电路的方法，用以解决在低频条件下难以实现匹配的问题。电路采用开关和电感的串联方式，通过控制开关的导通来调节换能器功率的输出，使其达到最大功率输出。在此基础上，针对换能器输出特点设计一种适合的存储和管理电路，通过较长时间的电荷存储，当达到一定阈值时，控制反激式瞬间放电电路工作，产生较大的功率，驱动无线节点工作，传输节点附近环境的温、湿度参数。

1  振动式自供能无线传感系统

振动式磁电复合自供能无线传感系统由振动式能量采集器、整流电路、控制电路、电源调理电路、发射节点和传感单元构成。如图1所示，电能瞬间放电电路的负载由微处理器、传感器单元、射频通信模块三部分组成。无线传感模块的工作模式为上电即启动模式，实现对传感器供电时刻即开始对环境温度、湿度的传感、对传感数据处理和发射，最后传感器进入休眠状态，整个过程用时约620 ms，发射数据用时1 ms。传感器工作电压为3 V，未发射数据时的工作电流为6 mA，则此时电能瞬放电路需提供的功率为18 mW;发射数据时的工作电流为25 mA，则电能瞬间释放电路需提供的最大功率为75 mW。

图1  振动供能系统框架

2  磁电复合换能器

振动能量采集器由三部分组成：悬臂梁、磁电换能器和永磁体[9?10]。悬臂梁用铍青铜制作，尺寸为19.6 mm×10 mm×0.3 mm，永磁体尺寸为10 mm×5 mm×2.5 mm，磁电换能器采用MPM结构，即由上下两层Terfenol?D夹持一层PZT，层与层之间通过环氧树脂粘结在一起，Terfenol?D尺寸为12 mm×6 mm×1 mm，PZT尺寸为12 mm×6 mm×0.8 mm大小。超磁致伸缩材料Terfenol?D延长度方向磁化，工作在纵向振动模式。由图2可以看出，在负载电阻为3 MΩ条件下，振动式换能器输出功率可以达到127.3 μW。

传统能量采集电路一般采用如下三种方法进行电能存储。

1） 换能器输出后直接接上整流电路将交流电整流为直流电对存储介质如超级电容、薄膜电池等充电。该方法适用于换能器输出等效阻抗较低的情况。针对本文振动式磁电复合换能器，等效输出阻抗为3 MΩ，而选用的存储介质超级电容的等效电阻仅为几十千欧姆，对应输出功率在10～20 μW范围以内，输出仅为最大功率的0.78%～15.7%，此方法不适合该换能器的能量采集。

图2  输出功率和负载电阻的关系图

2） 换能器输出接单电感匹配电路进行输出。由于磁电复合换能器工作时输出特性为容性，需要在电路中增加一个感性器件来补偿压电材料的容性阻抗，从而保证换能器工作时为纯阻抗输出。由式（1）计算磁电换能器的等效电容[Cp]的大小：

计算得所需要串联的电感[L]为5.24×103 H，绕制这么大的电感需要较多匝数的线圈，由于线圈本身的阻抗较大、损耗较高，加上变压器的涡流和磁滞损耗较大，采用此方法不可行。

3） 采用双调谐耦合回路进行匹配设计。在换能器输出和整流电路之间添加变压器，通过变压器初、次級匝数比的变化，动态地实现阻抗匹配，并且可以通过初、次级匝数的设置来改变输出电压。但此方法同样也存在需要较高电感值的问题，受限于狭窄的工作频率。

为此，本文提出一种非线性开关匹配电路，通过并联较小阻值的电感和模拟开关来实现阻抗变化，改变磁电换能器的寄生电容[Cp]，通过在特定时间控制开关的通断，实现较短时间的阻抗匹配，换能器可以在较短时间内谐振输出，提高输出功率。该非线性匹配方法主动改变压电换能器的固有机械特性，从而间接改变最大输出功率与其对应的最佳工作负载及频率大小。

3  开关匹配电路

3.1  开关匹配电路基本原理和理论分析

本文采用的开关匹配处理电路通过添加开关非线性导通来瞬间实现匹配，这样使换能器在谐振时能够提高功率输出，非线性处理电路原理图如图3所示。

图3  开关匹配电路原理图

为研究匹配电路的特性，可以将磁电换能器等效为电压源和等效电容串联或者电流源和等效电容并联两种情况。[Cp]为压电材料等效电容，[Rp]为绝缘电阻，两种等效电路特性是一样的。因此选用交流源和等效电容串联的形式。

图4  压电材料在正压电效应下的等效模型

由此可见，系数[k]对功率的影响很大，[k]值越大，开关匹配电路输出的功率就越大。[k]值取决于L?C振荡电路本身的品质因数，其设计和绕制工艺、漏感、励磁电流等都会影响电路的效率。

3.2  非线性电路的仿真和实验

在仿真软件PSPICE中选用电压等效电路进行仿真设计，采用峰峰值为100 V，频率为40 Hz的交流信号源，串联一个大小为2.7 nF的等效电容达到模拟换能器输出的特性，[Rp]等效电阻采用10 MΩ，开关控制信号采用频率为0.5 kHz的脉冲信号，占空比为50%，开关导通电压为2 V，变压器接入方便进行信号取出，匝数比为1[∶]1。

对输出电压进行FFT功率谱分析发现，图5中，低频正弦波电压的功率谱密度集中在40 Hz，变压器副边输出的开关匹配电压功率谱密度集中在0.5 kHz。可以从图中看出，低频正弦波信号的能量主要集中在40 Hz频段，通过电路非线性处理后，能量主要集中在0.5 kHz左右，实现了波形能量输出的搬移。低频正弦波的功率比较分散，通过非线性处理后，能量集中在0.5 kHz的较高频率段，0.5 kHz的功率提高了2倍，这样实现匹配输出比较容易。

经过仿真分析，发现该方法实现了较短时间的谐振，提高了换能器的输出功率。实验进行验证，前端换能器采用信号发生器模拟输出，输出正弦波峰峰值为4 V，频率[f0]为40 Hz。开关控制信号采用幅值为4 V，信号发生器后面接上1 MΩ电阻然后接入模拟开关的控制信号端，目的是证明开关控制信号耗能很小。电感[L]采用PC40的EI型磁芯，线圈匝数为318。模拟电子开关采用max4690，采用±20 V供电，便于处理正负方向的波形，导通电阻为0.9 Ω，漏电流为0.01 nA。原边采用了10 nF的CBB电容模拟换能器的等效电容[C0]，增加电路的[Q]值。经推算原副线圈电感分别为239.2 mH，当原边串联10 nF的CBB电容时，谐振频率[f1]由式（2）得到谐振频率[f1]为3.2 kHz，对电感上输出的电压信号进行FFT功率谱分析。

图5  低频正弦波和处理后的输出波形功率谱密度图

从图6中可以发现，谐振频率输出的功率密度是低频正弦波功率密度的2.1倍，前面理论分析时发现参数[k]对换能器功率的输出有影响，经过实验发现本电路的[k]值在0.826～0.86之间，代入式（9）发现，通过开关匹配电路进行非线性处理后，换能器的能量输出应该提高了1.826～1.86倍，与实验获得的值接近，为此可以证明通过此方法可以实现高频输出能量的提高。

图6  非线性处理前和处理后的电压波形FFT图

模擬换能器信号通过非线性处理后主要集中在谐振频率3.2 kHz左右。电压信号转化并不是完全的，因为非线性处理电路也会有一部分损耗，损耗主要来自和开关串联的电感。但这部分损耗较小，损耗的大小由[L?C0]谐振电路的品质因数决定。

4  振动式换能器存储和管理电路

振动环境的工作频率为几赫兹到几百赫兹，环境振动加速度在0.1～1[g]范围内，因此振动式换能器的输出功率一般在十几微瓦到几百微瓦之间。如果驱动的电子设备的功耗低于振动式换能器的输出功率，则管理电路很简单，通过接上一个桥式整流滤波电路就可以转化为直流电，再通过DC?DC稳压电路为电子设备连续供电。但一般输出功率都不能满足直接供电的需求，需要通过电源管理电路正常驱动。

本文采用的电源管理电路如图7所示，由匹配电路、整流电路、主储能电容[Cs]、监测电路、脉冲发生电路、电能瞬放电路和后端储能电容[CL]组成[11?12]。其中，监控电路通过监测主储能电容[Cs]两端的电压来控制管理电路处于放电状态还是充电状态。当主储能超级电容[Cs]上电压达到0.4 V时，开始放电，控制脉冲电路产生脉冲。当电压下降到0.2 V以下时，处于充电状态，通过模拟开关关断脉冲电路，电容上面电压继续升高，如此往返工作。脉冲产生电路由两个型号为TLV3492的比较器搭建而成，脉冲频率为1 kHz，占空比为50%，该比较器为nW级的电子器件，整个电路功耗低于20 μW，适合本文电源管理电路。电能瞬放电路采用反激式DC?DC变换电路，反激变压器选用材质为PC40的EI型磁芯，初始磁导率为2 300，原副边匝数比为10[∶]90。

图7  磁电换能器管理电路示意图

5  结  论

本文针对Terfenol?D/PZT/Terfenol?D复合单元在弱振动激励情况下，换能器工作频率较低，需要较大电感匹配的情况，提出一种非线性开关处理方法。通过仿真和理论分析了该方法的可行性，并通过实验论证了该匹配电路提高了输出功率达到2.1倍，计算了电路本身的损耗，能够使损耗减小到输出功率的5%。设计一种适合的存储和管理电路用于提高超级电容的输出功率。并针对换能器输出功率较低，无法直接驱动无线传感器工作的问题，瞬时最大输出能够达到120 mW，从而提高了换能器的匹配输出功率。实验结果表明，当1.5 F的超级电容电量积累到0.4 V，电源管理电路放电时间为635 ms，能有效驱动无线传感器成功通信距离为60 m。

参考文献

[1] GLYNE?JONES P， WHITE N M. Self?power systems： a review of energy sources [J]. Sensor review， 2001， 21（2）： 91?97.

[2] PARADISO J A， STARNER T. Energy scavenging for mobile and wireless electronics [J]. IEEE pervasive computing， 2005， 4（1）： 18?27.

[3] MATEU L， MOLL F. Review of energy harvesting techniques and applications for microelectronics [C]// Proceedings of 2005 SPIE International Society for Optical Engineering. Seville， Spain： SPIE， 2005： 359?373.

[4] DONG Shuxiang， LI Jiefang， VIEHLAND D. Longitudinal and transverse magnetoelectric voltage coefficients of magnetostrictive piezoelectric laminate composite： theory [J]. IEEE transactions on ultrasonics， ferroelectrics， and frequency control， 2003， 50（10）： 1253?1261.

[5] DONG Shuxiang， CHENG Jinrong， LI J F， et al. Enhanced magnetoelectric effects in laminate composites of Terfenol?D/ Pb （Zr， Ti） O3 under resonant drive [J]. Applied physics letters， 2003， 83（23）： 4812?4814.

[6] BAYRASHEV A， ROBBINS W P， ZIAIE B. Low frequency wireless powering of microsystems using piezoelectric?magnetostrictive laminate composites [J]. Sensors and actuators A： physical， 2004， 114（2/3）： 244?249.

[7] HUANG Jiankang， O′HANDLEY R C， BONO D. New high?sensitivity hybrid magnetostrictive/electroactive magnetic field sensors [J]. Smart structures and materials， 2003（6）： 229?237.

[8] DAI Xianzhi， WEN Yumei， LI Ping， et al. A vibration energy harvester using magnetostrictive/piezoelectric composite transducer [C]// 2009 IEEE Sensors Conference. Christchurch： IEEE， 2009： 1447?1450.

[9] MCLEOD R W J， ROBERTS W H， PERRY I A， et al. Scanning laser Doppler vibrometry of the cranium when stimulated by a B71 bone transducer [J]. Applied acoustics， 2018（4）， 142?148.

[10] WANG Liang， LIU Yingxiang， LI Kai， et al. Development of a resonant type piezoelectric stepping motor using longitudinal and bending hybrid bolt?clamped transducer [J]. Sensors & actuators A： physical， 2018， 98（14）： 1233?1238.

[11] LIU Xiangjian， CHEN Renwen， ZHU Liya. Energy conversion efficiency of rainbow shape piezoelectric transducer [J].  Chinese journal of aeronautics， 2012（5）： 691?697.

[12] YUAN Xiaohui， SU Anjun， YUAN Yanbin， et al. An improved PSO for dynamic load dispatch of generators with valve?point effects [J]. Energy， 2008， 34（1）： 67?74.