作者 / 刘艳1,2 贾雄伟1,2 林子翔1,2 1. 广东省电力工业职业技能学校(广东 广州 510000) 2. 广东电网有限责任公司教育培训点评中心(广东 广州 510000)
刘艳(1986-)，女，硕士，讲师，研讨方向：电气自动化;贾雄伟，男，硕士，研讨方向：电能的改换与操控;林子翔，男，硕士，讲师，工程师，研讨方向：输配电线路施工与运转。
摘要：现在，微机电体系(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)能够经过越来越低的能量运转，而环境中充满着各式各样的没有被运用的或许被糟蹋的能量，例如太阳能、风能、热能、振荡能等。搜集环境中的动力。将其转化成人们能够运用的电能,到达能量收回运用的意图。但搜集来的能量因为受制于环境的影响，一般无法安稳和及时为负载供电。规划了一种根据压力发电的电源体系，将压力转化为电能并搜集和存储起来，能够作为长途微机电体系的电源。
0 导言
世界各国对动力需求不断增加以及对环境保护日益加强，都在在大力发展可再生动力。压电发电是一项最近几十年鼓起的高新技能，最近十几年更是在全世界被广泛研讨。压电设备在外力交变效果下发生电荷，将这些电荷搜集起来贮存在电容或电池中，就可为后级电子元器材和体系供电。压电能量搜集设备的长处是其体积小，结构简略，无电磁搅扰,易加工制造，并且其功率密度可到达200 μW/cm3，在曩昔压电资料常被应用在传感器与执行器上，较少被拿来作为供给电能的设备，但是跟着压电资料压电功能的进步及高集成度，低能耗电力电子器材的运用，压电式发电技能因而也成为研讨的热门。
1 体系总体规划
本文规划的电源将运用压电资料的正压电效应，将压力转化为电能，再将压电资料发生的电能经过能量搜集电路进行搜集并存储起来。压电资料本文选用Cymbal压电振子，能量搜集电路的中心芯片是根据ADI公司的超低功耗能量搜集器PMU ADP5091，能量的存储选用的是超级电容。
2 压电资料
压电资料的挑选决议了压电发电体系的能量密度，对压电振子发电功能的影响至关重要。现在，已有许多种压电资料应用于压电发电设备中，包含压电单晶体、压电多晶陶瓷、压电陶瓷、压电聚合物、压电纤维、压电薄膜、电致弹性聚合物等。常用的压电陶瓷(锆钛酸铅)，又称 PZT。压电发电体系常见的结构分为悬臂梁型压电振子、圆盘式压电振子和叠层式压电振子。本文选用的圆盘式压电振子的Cymbal 钹型压电振子，其他常见的结构还有圆柱形压电振子和鼓型压电振子等;图2 为 Cymbal 压电振子的结构示意图。上下 2 片钹形金属帽中心为用导电胶粘合的压电片，Φ为 Cymbal 换能器的直径，Φt为内腔顶部直径，Φb为内腔底部直径，tp为压电陶瓷的厚度，tm为金属帽的厚度，tc为内腔高度。因为压电晶体的曲折变形, 压电层的上、下电极之间将发生改变的电势差，经过能量存储电路进而为负载供能。
压电振子存在机械鸿沟条件和电学鸿沟条件，机械鸿沟条件包含机械自在和机械夹持;电学鸿沟条件包含电学开路和电学短路。两种不同的机械鸿沟条件和两种不同电学鸿沟条件组合在一同，对应于压电振子的4种不同的鸿沟条件。关于机械自在，电学短路鸿沟条件下的正负压电效应的压电方程为：
(1)
式中：D为电位移，d为压电常数，dt为d的转置，S为应变，sE为弹性和婉常数，T为应力，E为电场，ε为介电常数。
因为压电振荡能量搜集器材抓获的电能较小，单层压电晶片结构还达不到当时低耗能微电子器材的能量需求。为了进步压电振子发电的发电量，现在用于压电振荡能量搜集的压电振子的结构主要有根据悬梁臂结构的单、双压电晶片。串联衔接办法总的输出电压为单片压电陶瓷的两倍，总的输出电量为单层压电陶瓷发生电量的两倍。并联衔接办法总的输出电压与单片压电陶瓷的相同，而总输出电量为单层压电陶瓷发生的电量的两倍。单个Cymbal压电发电换能器的输出特性是高电压，低电流，高输出阻抗的电压源特性，增加了后续整流，降压和存储电路的匹配难度。在输出功率共同的情况下，并联衔接的多个Cymbal压电振子有益于增大换能器体系的输出电流，下降换能器体系的输出阻抗，减小了与后续能量存储电路的匹配难度。
本文将多个Cymbal压电振子镶嵌在薄圆柱形箱体里，如图3所示，上下相邻Cymbal 压电振子的金属端帽短接在一同，并且放置成极化方向相反的办法，经过导线衔接即可完成多个压电振子并联。圆柱箱体为整个压电振子堆供给必定的稳定的预应力，确保压电振子堆振荡时一直处于紧缩状况。圆柱箱体上下底面直径应略大于Cymbal的直径和振子径向振荡的位移以便于确保圆柱箱体不影响Cymbal 振子的径向振荡。圆柱箱体结构为整个压电振子堆供给支架，可直接将圆柱底面贴于振荡源的接触面，也能够经过其他机械结构扩展取得压力源的面积。
3 能量搜集和存储电路
多个 Cymbal压电振子并联衔接后能够发生较大的输出电流，但此刻的电压为不安稳的沟通信号，不便于存储。需要对其进行整流和滤波。整流后的电流被送入到以ADP5091为中心芯片的能量搜集和存储电路里。ADP5091是一款智能集成式能量搜集nA级办理解决方案，可转化来自光伏电池或热电发生器(TEG)的直流电源。该器材可对储能元件(如可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容或传统电容)进行充电，并对小型电子设备和无电池体系上电。ADP5091/92能对搜集的有限能量(16 μW到600 mW规模)完成高效转化，作业损耗为亚μW等级。运用内部冷发动电路，调节器可在低至380 mV的输入电压下发动。冷发动后，调节器便可在80 mV至3.3 V的输入电压规模内正常作业。额外的150 mA稳压输出可经过外部电阻分压器或VID引脚编程，可编程电压监控器(2 V至5.2 V)支撑对储能元件进行充电，可选BACK_UP电源途径办理。常用的搜集压电振子发生的电量的办法包含运用一般电容快速充放电效应搜集并且贮存发生的电能和运用可充电电池搜集并贮存能量。本文主张选用超级电容。超级电容与一般电容和一般电池比较，容量大许多，可到达法拉级乃至数万法拉级，并且循环运用寿命更长，可重复运用达几十万次,这些都是一般电容和可充电电池无法比拟的。并且超级电容的可靠性更高，对电路的要求不高，其南北极电压能够超越额外电压而不会被击穿，不易损坏，超级电容内阻很小，充放电效率高。本文选用的是多并苯扣子电容PAS409HR用作搜集储能器。详细电路如图4所示。AD5091的SYS脚为接向体系负载供给的输出电源。在此引脚和PGND之间至少衔接一个4.7μF电容，并尽可能接近放置。BACK_UP为备用原电池的可选输入电源。
4 定论
压力发电的现已在全世界被广泛研讨，美国、日本、韩国以及欧洲一些国家的研讨人员现已取得了许多专利、理论研讨和产品等研讨成果。本文介绍了一种根据Cymbal型压电振子并联发电，以ADP5091为中心的能量搜集电路对压电振子的能量进行搜集并存储在超级电容的电源体系，能够作为长途微机电体系的电源。或在此电源体系基础上再进行必定的扩展，例如在超级%&&&&&%后接入容量较大的可充电电池，进步体系的能量搜集才能，多个此电源体系并联就能够为更大的负载供电等。
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[8]ADI公司.ADP5091\5092 datasheet [EB/OL].
本文来源于《电子产品世界》2018年第4期第61页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
