壓電式器件簡化振動能量收集原理

壓電式器件簡化振動能量收集原理

雖然“能量收集”自 2000 年初就已出現，但只是憑借近期的技術發展才將其推進至商業化階段。簡而言之，2010 年我們處在一個轉折點并將迎來其“成長”階段。運用能量收集技術的樓宇自動化傳感器應用已經在歐洲得到推廣，這說明其成長階段可能已拉開序幕。

能量收集的商業化可行性

盡管能量收集的概念廣為人知已有多年，但在某種實際環境中實現這樣一個系統卻十分麻煩、復雜和昂貴。然而，采用了能量收集方法的市場實例包括交通運輸基礎設施、無線醫療設備、輪胎壓力檢測，而迄今為止最大的市場便是樓宇自動化。就樓宇自動化而言，諸如占有傳感器、溫度自動調節器和光開關等系統能夠免除通常所需的電源或控制線路，取而代之是一個機械或能量收集系統。

同樣，運用能量采集技術的無線網絡能夠將建筑物內任何數目的傳感器連接起來，以在無人值守情況下通過切斷非緊要區域的供電來降低采暖、通風和空調以及照明成本。此外，能量收集電子線路的成本常常低于電源線路的運行成本，因此，選用收集電能技術顯然能夠帶來經濟上的收益。

圖1：典型能量采集系統的四個主要模塊。

典型的能量收集配置或系統 (見圖 1) 通常包括一種免費能源，例如：連接在某個振動機械源 (如空調管道或窗玻璃) 上的壓電換能器。這些小型壓電器件能夠將很小的振動或應變差轉換為電能。該電能隨后可由一個能量收集電路進行轉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、模數轉換器和一個超低功率微控制器。上述組件可以獲取該收集能量 (以電流的形式存在) 并喚醒一個傳感器，以獲得一個讀數或測量結果，然后使該數據可通過一個超低功率無線收發器 (由圖 1 所示電路鏈中的第四個模塊來表示) 進行傳輸。

該鏈路中的每個電路系統模塊 (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間；然而，超低功率收發器只是到最近才剛剛實現了商用化。不過，該鏈路中處于落后狀態的則一直是能量收集器。

現有的電源管理器模塊實現方案往往采用低性能的分立型結構，通常包括30個或更多的組件。此類設計具有低轉換效率和高靜態電流。這兩個不足之處均導致了終端系統中的性能損失。低轉換效率將增加系統上電所需的時間，這反過來又延長了從獲取一個傳感器讀數至傳輸該數據的時間間隔。高靜態電流則對能量收集電源能夠低到何種程度有所限制，因為它首先必須超越其自身操作所需的電流水平，然后才能將任何多余的功率提供給輸出。

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自振動源或應變源的壓電能量、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化了從這類能源收集剩余能量的工作。