壓電式器件簡(jiǎn)化振動(dòng)能量收集原理介紹

能量收集的商業(yè)化可行性

盡管能量收集的概念廣為人知已有多年，但在某種實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)系統(tǒng)卻十分麻煩、復(fù)雜和昂貴。然而，采用了能量收集方法的市場(chǎng)實(shí)例包括交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無(wú)線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測(cè)，而迄今為止最大的市場(chǎng)便是樓宇自動(dòng)化。就樓宇自動(dòng)化而言，諸如占有傳感器、溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器和光開關(guān)等系統(tǒng)能夠免除通常所需的電源或控制線路，取而代之是一個(gè)機(jī)械或能量收集系統(tǒng)。

同樣，運(yùn)用能量采集技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒔ㄖ飪?nèi)任何數(shù)目的傳感器連接起來(lái)，以在無(wú)人值守情況下通過(guò)切斷非緊要區(qū)域的供電來(lái)降低采暖、通風(fēng)和空調(diào)以及照明成本。此外，能量收集電子線路的成本常常低于電源線路的運(yùn)行成本，因此，選用收集電能技術(shù)顯然能夠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的收益。

圖1：典型能量采集系統(tǒng)的四個(gè)主要模塊。

典型的能量收集配置或系統(tǒng) (見(jiàn)圖 1) 通常包括一種免費(fèi)能源，例如：連接在某個(gè)振動(dòng)機(jī)械源 (如空調(diào)管道或窗玻璃) 上的壓電換能器。這些小型壓電器件能夠?qū)⒑苄〉?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/振動(dòng)">振動(dòng)或應(yīng)變差轉(zhuǎn)換為電能。該電能隨后可由一個(gè)能量收集電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換并被變更為一種可用的形式，用于給下游電路供電。這些下游電子線路通常包括某種類型的傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)超低功率微控制器。上述組件可以獲取該收集能量 (以電流的形式存在) 并喚醒一個(gè)傳感器，以獲得一個(gè)讀數(shù)或測(cè)量結(jié)果，然后使該數(shù)據(jù)可通過(guò)一個(gè)超低功率無(wú)線收發(fā)器 (由圖 1 所示電路鏈中的第四個(gè)模塊來(lái)表示) 進(jìn)行傳輸。

該鏈路中的每個(gè)電路系統(tǒng)模塊 (能源本身或許除外) 都特有一組迄今為止有損于其商業(yè)可行性的約束條件。低成本和低功率傳感器及微控制器面市已有幾年的時(shí)間；然而，超低功率收發(fā)器只是到最近才剛剛實(shí)現(xiàn)了商用化。不過(guò)，該鏈路中處于落后狀態(tài)的則一直是能量收集器。

現(xiàn)有的電源管理器模塊實(shí)現(xiàn)方案往往采用低性能的分立型結(jié)構(gòu)，通常包括30個(gè)或更多的組件。此類設(shè)計(jì)具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流。這兩個(gè)不足之處均導(dǎo)致了終端系統(tǒng)中的性能損失。低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時(shí)間，這反過(guò)來(lái)又延長(zhǎng)了從獲取一個(gè)傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。高靜態(tài)電流則對(duì)能量收集電源能夠低到何種程度有所限制，因?yàn)樗紫缺仨毘狡渥陨聿僮魉璧碾娏魉剑缓蟛拍軐⑷魏味嘤嗟墓β侍峁┙o輸出。

新型壓電式能量收集器

迄今為止，人們所缺少的一直是能夠收集和管理來(lái)自振動(dòng)源或應(yīng)變?cè)吹膲弘娔芰?、并具有低損耗全波橋式整流器的高集成度、高效率DC/DC降壓型轉(zhuǎn)換器。近期，凌力爾特推出的新型 LTC3588-1壓電式能量收集電源極大地簡(jiǎn)化了從這類能源收集剩余能量的工作。