基于PVDF的壓電能收集電路的設(shè)計(jì)

張也

摘 要：針對環(huán)境中壓電振動能的收集問題，該文提出基于PVDF（壓電薄膜）的壓電能收集電路的設(shè)計(jì)。首先，需要對PVDF壓電傳感器的具體工作原理進(jìn)行研究，制作一種可以將PVDF中壓電能提煉出來的傳感器；其次，將采集到的振動電壓信號，通過AC-DC、DC-DC轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行整流、濾波、升壓；最后，通過充電電路給鋰電池進(jìn)行充電，將不易收集利用的壓電能改變成穩(wěn)定的電能存儲在鋰電池中，實(shí)現(xiàn)壓電能的合理收集和利用。

關(guān)鍵詞：PVDF 傳感器 壓電能 收集電路

中圖分類號：TM910 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0030-03

PVDF是一種新型的高分子材料，由于其具有壓電常數(shù)大，頻響寬，機(jī)械強(qiáng)度好，耐沖擊，質(zhì)輕，柔韌，聲阻抗易匹配，易加工成大面積，不易受水和一般化學(xué)品的污染、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。在力學(xué)領(lǐng)域、聲學(xué)領(lǐng)域、光學(xué)領(lǐng)域、電子領(lǐng)域、測量領(lǐng)域、紅外領(lǐng)域、安全報(bào)警領(lǐng)域、醫(yī)療保健領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、交通領(lǐng)域以及信息工程領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛[1]。

隨著PVDF的廣泛應(yīng)用，在從環(huán)境中如何收集壓電能極具研究價(jià)值。該文主要對PVDF傳感器的工作原理進(jìn)行研究，針對換種中壓電振動能的收集問題，從應(yīng)用角度出發(fā)，對硬件電路進(jìn)行研究，其中包括AC-DC、DC-DC和充電電路等收集電路進(jìn)行設(shè)計(jì)研究[2-3]。

1 PVDF的工作原理及制作

該文采用的PVDF壓電薄膜，其具有3層結(jié)構(gòu)薄膜，如圖1所示。在兩個(gè)表面已經(jīng)覆了很薄的鋁電極。由于PVDF壓電薄膜的使用溫度范圍為-40 ℃～80 ℃，因此，在焊接的過程中應(yīng)特別注意溫度的變化，如果溫度大于80 ℃，則PVDF壓電薄膜會達(dá)到其居里溫度，進(jìn)而帶來晶體結(jié)構(gòu)變化，從根本上造成壓電性變化甚至是消失。所以，不可以采用常規(guī)形式的焊接方式引出PVDF壓電薄膜電極。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作期間，需借助導(dǎo)電銀膠方法引出導(dǎo)線電極[4]。

在實(shí)驗(yàn)的過程中，利用PVDF壓電薄膜制作壓電傳感器的核心元件，其主要過程分為形狀確定、薄膜切割、電極引出和加保護(hù)層。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求確定薄膜的大小并進(jìn)行裁剪，在裁剪過程中應(yīng)避免邊緣毛刺的產(chǎn)生，注意邊緣的平整度，以避免因毛刺的產(chǎn)生而導(dǎo)致的上下電極短路。

由于導(dǎo)電銀膠的粘著力與粘著面積參數(shù)有關(guān)，因此，該文選擇用薄銅片代替銅導(dǎo)線開展實(shí)驗(yàn)。其作用在于可以最大限度增加其與電極之間的實(shí)際接觸面積，進(jìn)一步增大粘著力。此外，由于薄銅片相對來說比較柔軟，可以借助自身彎曲形變將作用在導(dǎo)線中的相關(guān)應(yīng)力進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化，不會直接將其傳遞到電極以及導(dǎo)線間的連接位置中，從而造成導(dǎo)線脫落。

該文使用電烙鐵將導(dǎo)線與薄銅片焊接在一起，然后采用沙皮紙進(jìn)行薄銅片表面打磨處理與擦凈處理，之后再把導(dǎo)電銀膠按照規(guī)范化程序涂抹到薄銅片上。此外，為了在一定程度上確保粘結(jié)可靠，需要在導(dǎo)電銀膠涂抹期間，將涂層控制的越薄越好。因PVDF壓電薄膜表面電極導(dǎo)線粘接地方一般情況下都是裸露在外的，非常容易在實(shí)際使用期間遭受到破壞，進(jìn)而影響其正常工作。故，可以在PVDF壓電的表面采用膠帶覆蓋，這樣可以防止表面引出導(dǎo)線被損壞[5]。制作好的壓電薄膜傳感器，如圖2所示。

2 整體方案設(shè)計(jì)

整體方案如圖1所示，由PVDF壓電薄膜、收集電路和鋰電池三部分組成。其中收集電路包括四倍壓整流電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路和充電電路。當(dāng)PVDF壓電薄膜，在環(huán)境中受到一定的頻率震動的時(shí)候，傳感器會產(chǎn)生一定的壓電信號，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過測量傳感器所產(chǎn)生的壓電信號為峰值為1.5 V的正弦波。將此壓電信號經(jīng)過四倍壓整流電路就會形成AC-DC的轉(zhuǎn)換。得到的直流信號經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換電路將整流得到的電壓轉(zhuǎn)換成為能夠驅(qū)動充電電路的電壓，輸送給充電電路，最后實(shí)現(xiàn)對鋰電池的充電。

3 PVDF壓電薄膜收集電路的設(shè)計(jì)

3.1 四倍壓整流電路的設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的壓電能收集電路AC-DC模塊為四倍壓整流電路，如圖2所示。當(dāng)PVDF壓電薄膜，在環(huán)境中受到一定的頻率震動的時(shí)候，傳感器會產(chǎn)生一定的壓電信號（PIEZO），經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，所產(chǎn)生的壓電信號為峰值為1.5 V的正弦波。而且壓電信號（PIEZO）具有極性，當(dāng)PIEZO為負(fù)半周時(shí)，將二極管D1以及D3進(jìn)行導(dǎo)通，然后使電容C1與C3被充電，電壓標(biāo)注為Vm。但是當(dāng)PIEZO是正半周的時(shí)候，其二極管D1與D3將會被截止，而且電容C1與C3也會被停止充電，當(dāng)二極管D2導(dǎo)通的時(shí)候，C1電壓將會不斷增加，C2在充電量上將達(dá)到原來的大約2倍左右。同樣，C4也被充到2 Vm。由于C2和C4不能放電，這就使接在其兩端的超級電容器C5保持直流電壓為4 Vm。實(shí)際工作中，由于每個(gè)二極管不可避免的存在正向電壓降，C5上的直流電壓不能完全的達(dá)到4Vm，但是非常接近。接下來的正半周期，C2和C4對負(fù)載放的電，通過C1和C2來補(bǔ)充。因此，四倍壓整流電路既能完成從交流到直流的變換，又能一定程度上穩(wěn)定直流電壓。

其優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

（1）四倍壓整流電路能夠把一個(gè)較低的交流電壓整流成為一個(gè)較高的直流穩(wěn)定電壓信號。

（2）四倍壓整流電路所得到的電壓信號是原來的4倍左右，利用的價(jià)值更高。

3.2 DC-DC轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的壓電能收集電路DC-DC模塊是以MAX1678芯片為核心的驅(qū)動電壓電路，如圖3所示。主要作用是將整流得到的電壓轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動充電電路的電壓。

MAX1678芯片存在轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，采用該芯片輸入電壓低以及內(nèi)置一個(gè)同步整流器的升壓式DC-DC變換器集成電路芯片。當(dāng)0.87 V輸入電壓的情況下，就可以啟動工作，存在37 μA靜態(tài)化電流。此外，該芯片有著3.3 V固定輸出式以及可調(diào)范圍控制到2～5.5 V之間的輸出可調(diào)式產(chǎn)品。當(dāng)輸出電流達(dá)到50mA負(fù)載條件的時(shí)候，其最終的轉(zhuǎn)換效率將會高達(dá)90%。除此之外，該芯片內(nèi)置可以用作欠壓封鎖功能的比較器，具備靜態(tài)化電流僅僅是 2 μA關(guān)閉模式。

由于MAX1678芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了功率開關(guān)、同步速流器和控制電路，因此，需要對其外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的元件（電阻、電容和電感）。該電路通過外接的兩個(gè)分壓取樣電阻R1和R2，根據(jù)公式計(jì)算得到，R1（=R2）的選擇范圍為100 kΩ ～1 MΩ；該電路通過外加分壓電阻R3和R4，對輸出電壓進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)公式計(jì)算得到， R3（=R4）的選擇范圍為100 kΩ～1 MΩ。電感選擇的范圍為22～47 μH，有利于在一定程度上減小電流實(shí)際脈動，有效降低輸出紋波，促進(jìn)輸出電流容量的不斷增大。同樣濾波電容可以選擇陶瓷電容和電解電容，較大容量的濾波電容有利于改善輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)。

3.3 充電電路的設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的壓電能收集電路的充電電路模塊是以MAX1811芯片為核心的充電電路，如圖4所示。要實(shí)現(xiàn)利用壓電發(fā)電裝置為電子產(chǎn)品進(jìn)行供電，關(guān)鍵是對電量的積累。因此，該文的主要方法是采用超級電容器來收集PVDF壓電薄膜產(chǎn)生的電量，而且對收集到的壓電能，通過可反復(fù)進(jìn)行充電的鋰離子進(jìn)行儲存。

采用MAX1811芯片作為充電電路的核心，能夠從外部獲取電壓范圍控制為4.35～6.5 V之間的電壓，究其原因在于其內(nèi)部存在溫度控制回路、電池過放電檢測設(shè)備。不需要由微處理器進(jìn)行管理控制，包括兩個(gè)設(shè)置端，當(dāng)SELV設(shè)置相對較高的時(shí)候，電池最終電壓控制到4.2 V；而當(dāng)設(shè)置較低的時(shí)候，其最終電壓是4.1 V，能夠適應(yīng)不同電壓的鋰電池。此外，如果最終電壓實(shí)際精度達(dá)到了0.5%，則會實(shí)現(xiàn)電池充電的安全化。另一個(gè)設(shè)置端是SELI，開關(guān)合上為高電平，充電電流為500 mA，適用于高功率的端口（4.75～5.25 V，500 mA）；開關(guān)斷開為低電平，電流100 mA，適用于低功率端口（4.4～5.25 V，100 mA）。當(dāng)驅(qū)動芯片的電壓滿足要求時(shí)，也就是說，DC-DC輸出電壓達(dá)到MAX1811芯片充電控制端電壓要求時(shí)，其電路會自動工作。

4 結(jié)語

文章提出了基于PVDF（壓電薄膜）的壓電能收集的整體方案，主要針對壓電能收集電路的設(shè)計(jì)，其中包括四倍壓整流電路、以MAX1678芯片為核心的DC-DC轉(zhuǎn)換電路和以MAX1811芯片為核心的充電電路。通過對電路的仿真分析，驗(yàn)證了該方案的可行性。在實(shí)驗(yàn)的過程中，通過對壓電薄膜傳感器施加一定的振動信號，經(jīng)過測試，能夠采集到峰值為1.5 V的正弦波壓電信號。但是對最終實(shí)現(xiàn)對鋰電池的充電，還需對進(jìn)一步對整體硬件電路的調(diào)試和改進(jìn)。

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