压电式无源无线开关的设计

摘 要：为了解决绿色智能建筑中通信设备工作电源的问题，设计了一种基于压电效应的无源无线开关装置。该装置利用双晶压电发电片将手指对按键的压力转换成电压信号，采用压力触发电源激活工作方式，高效收集外界微弱能量，通过电源管理电路对储能电容中的能量进行管理，供射频电路使用，实现自主供电。

关键词：压电发电；电源管理；自主供电；微功耗

随着人们的节能减排、低碳环保意识越来越强，绿色智能建筑已成为当今世界建筑发展的重要方向及必然趋势。无源无线开关是绿色建筑的重要应用之一，这种开关无需连接电源线，也无需安装电池，一般通过采集周围环境的机械能、光能/太阳能和温差能等来获取能量。

压电陶瓷材料在耐高冲击、长寿命和高压电常数等方面有独特的优势[1]。压电陶瓷作为无源无线开关的压电电源，可在按压瞬间产生足够的能量，将瞬间产生的能量进行有效存储管理并供射频电路工作，是压电式无源无线开关设计的关键。

作者所设计的压电式无源无线开关由三部分组成（如图1所示）：直流发电电路、能量收集电路和射频电路。结合压电陶瓷的产能机理搭建直流输出电路，选择匹配储能电容存储能量，微功耗电源管理电路对其能量进行管理并为射频电路供电。

1 直流发电电路

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁畴结构的电畴结构，其极化后根据外电场方向依次排列，外电场撤消后压电陶瓷内部仍存在有很强的剩余极化强度。当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化。压电陶瓷呈现的压电效应如图2所示。双晶压电发电片是铜基板的两面粘结压电陶瓷片，可作为无源无线开关装置的换能器，实现自主发电模式。

文中研究的PZT-5H型双晶圆形压电发电片采用简支支撑，把发生振动的波节部分支撑起来，这样的安装构造不但简单稳固，还能最大程度的减小装置的能量损耗。其中间最大应变量不超过1mm，输出电压：0

由于两侧压电陶瓷极化方向相反，采用并联的方式将两侧的压电陶瓷短接作为一个电极，铜基板作为一个电极。压力撤销后压电陶瓷片恢复原状，电极上又吸附一部分自由电荷而出现一个反向充电现象[2]，即出现反向电压。为此，对压电片的输出电压进行整流。

2 能量收集电路

2.1 储能电容的选择

存储电容的大小一方面受低功耗射频电路正常工作所需能量的制约；另一方面受充电时间的影响。存储电容的电容值比压电片的等效电容大，在充电时间内不足以存储足够的能量，储能电容一般是？滋F级。

储能电容越大其等效串联电阻越大，瞬态充电时消耗就越大，所以在允许范围内选小电容。通过测试，射频电路消耗的有效能量不超过60？滋J，选择2个47？滋F电容串联作为储能电容，最大电压4 V，储能142？滋J，其最大电压及存储能量都能满足射频电路正常工作的要求。

2.2 电源管理电路

储能电容不能直接接射频电路，储能电容里面的能量需要经过管理，通过检测储能电容两端的电压，适时开启或关闭射频电路与储能电容之间的供电通道[3]。设定电压最大值和最小值，当电压达到最大值时开始为负载供电，当电压低于最小值时停止供电。

电源管理电路如图3所示，通过2个电压检测芯片U1 HT7027和U2 HT7021对储能电容两端电压进行监测，当电压上升超过1.8V时，U2 HT7021输出VL为1，否则输出为0；当电压上升超过3.3 V时，U1 HT7027输出VH为1，否则输出为0。VH，VL经过由与、或、非门组成的逻辑电路后输出控制信号C[4]，C控制两MOS管组成的复合管[5]，适时开启或关闭射频电路与储能电容之间的供电通道[4]。电源管理电路经实际测试，储能电容两端电压为3V时，电路静态电流为12？滋A左右。

4 结束语

压电式无源无线开关电路中利用数字电路、COMS方式及选用低功耗元件搭建超低功耗电源管理电路，对收集到的电能实现有效的管理。同时，射频电路利用低功耗单片机MSP430F1222和CC1101无线模块极大地降低了整体的功耗。其设备简单且功耗低，由手指对按键的压力提供电能，无需电池，免去后期维护及对环境的污染。该装置可实现微型化，且成本低，同时借助物联网新技术，可使建筑物更加智能、节能。

参考文献

[1]沙山克・普里亚（印），丹尼尔・茵曼（美）. 能量收集技术[M].南京：东南大学出版社，2011.

[2]王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2007.

[3]陈建明，徐吉，陈立平，等.微功耗系统中微弱能源收集电路的设计[J].电源技术，2013，37（2）：289-291.

[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2002.

[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2002.

作者简介：陈建明（1962-），男，教授，研究方向为传感器与检测技术。

郭香静（1987-），女，硕士，研究方向为检测与自动化装置。

赵明明（1988-），男，硕士，研究方向为自动化及嵌入式。