基于PVDF的压电能收集电路的设计

摘 要：针对环境中压电振动能的收集问题，该文提出基于PVDF（压电薄膜）的压电能收集电路的设计。首先，需要对PVDF压电传感器的具体工作原理进行研究，制作一种可以将PVDF中压电能提炼出来的传感器；其次，将采集到的振动电压信号，通过AC-DC、DC-DC转换电路进行整流、滤波、升压；最后，通过充电电路给锂电池进行充电，将不易收集利用的压电能改变成稳定的电能存储在锂电池中，实现压电能的合理收集和利用。

关键词：PVDF 传感器 压电能 收集电路

中图分类号：TM910 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（c）-0030-03

PVDF是一种新型的高分子材料，由于其具有压电常数大，频响宽，机械强度好，耐冲击，质轻，柔韧，声阻抗易匹配，易加工成大面积，不易受水和一般化学品的污染、价格便宜等优点。在力学领域、声学领域、光学领域、电子领域、测量领域、红外领域、安全报警领域、医疗保健领域、军事领域、交通领域以及信息工程领域的应用非常广泛[1]。

随着PVDF的广泛应用，在从环境中如何收集压电能极具研究价值。该文主要对PVDF传感器的工作原理进行研究，针对换种中压电振动能的收集问题，从应用角度出发，对硬件电路进行研究，其中包括AC-DC、DC-DC和充电电路等收集电路进行设计研究[2-3]。

1 PVDF的工作原理及制作

该文采用的PVDF压电薄膜，其具有3层结构薄膜，如图1所示。在两个表面已经覆了很薄的铝电极。由于PVDF压电薄膜的使用温度范围为-40 ℃～80 ℃，因此，在焊接的过程中应特别注意温度的变化，如果温度大于80 ℃，则PVDF压电薄膜会达到其居里温度，进而带来晶体结构变化，从根本上造成压电性变化甚至是消失。所以，不可以采用常规形式的焊接方式引出PVDF压电薄膜电极。在实际实验操作期间，需借助导电银胶方法引出导线电极[4]。

在实验的过程中，利用PVDF压电薄膜制作压电传感器的核心元件，其主要过程分为形状确定、薄膜切割、电极引出和加保护层。根据实验要求确定薄膜的大小并进行裁剪，在裁剪过程中应避免边缘毛刺的产生，注意边缘的平整度，以避免因毛刺的产生而导致的上下电极短路。

由于导电银胶的粘着力与粘着面积参数有关，因此，该文选择用薄铜片代替铜导线开展实验。其作用在于可以最大限度增加其与电极之间的实际接触面积，进一步增大粘着力。此外，由于薄铜片相对来说比较柔软，可以借助自身弯曲形变将作用在导线中的相关应力进行有效转化，不会直接将其传递到电极以及导线间的连接位置中，从而造成导线脱落。

该文使用电烙铁将导线与薄铜片焊接在一起，然后采用沙皮纸进行薄铜片表面打磨处理与擦净处理，之后再把导电银胶按照规范化程序涂抹到薄铜片上。此外，为了在一定程度上确保粘结可靠，需要在导电银胶涂抹期间，将涂层控制的越薄越好。因PVDF压电薄膜表面电极导线粘接地方一般情况下都是在外的，非常容易在实际使用期间遭受到破坏，进而影响其正常工作。故，可以在PVDF压电的表面采用胶带覆盖，这样可以防止表面引出导线被损坏[5]。制作好的压电薄膜传感器，如图2所示。

2 整体方案设计

整体方案如图1所示，由PVDF压电薄膜、收集电路和锂电池三部分组成。其中收集电路包括四倍压整流电路、DC-DC转换电路和充电电路。当PVDF压电薄膜，在环境中受到一定的频率震动的时候，传感器会产生一定的压电信号，经过测试发现，经过测量传感器所产生的压电信号为峰值为1.5 V的正弦波。将此压电信号经过四倍压整流电路就会形成AC-DC的转换。得到的直流信号经过DC-DC转换电路将整流得到的电压转换成为能够驱动充电电路的电压，输送给充电电路，最后实现对锂电池的充电。

3 PVDF压电薄膜收集电路的设计

3.1 四倍压整流电路的设计

该文设计的压电能收集电路AC-DC模块为四倍压整流电路，如图2所示。当PVDF压电薄膜，在环境中受到一定的频率震动的时候，传感器会产生一定的压电信号（PIEZO），经过测试发现，所产生的压电信号为峰值为1.5 V的正弦波。而且压电信号（PIEZO）具有极性，当PIEZO为负半周时，将二极管D1以及D3进行导通，然后使电容C1与C3被充电，电压标注为Vm。但是当PIEZO是正半周的时候，其二极管D1与D3将会被截止，而且电容C1与C3也会被停止充电，当二极管D2导通的时候，C1电压将会不断增加，C2在充电量上将达到原来的大约2倍左右。同样，C4也被充到2 Vm。由于C2和C4不能放电，这就使接在其两端的超级电容器C5保持直流电压为4 Vm。实际工作中，由于每个二极管不可避免的存在正向电压降，C5上的直流电压不能完全的达到4Vm，但是非常接近。接下来的正半周期，C2和C4对负载放的电，通过C1和C2来补充。因此，四倍压整流电路既能完成从交流到直流的变换，又能一定程度上稳定直流电压。

其优点有以下几点。

（1）四倍压整流电路能够把一个较低的交流电压整流成为一个较高的直流稳定电压信号。

（2）四倍压整流电路所得到的电压信号是原来的4倍左右，利用的价值更高。

3.2 DC-DC转换电路的设计

该文设计的压电能收集电路DC-DC模块是以MAX1678芯片为核心的驱动电压电路，如图3所示。主要作用是将整流得到的电压转换成能够驱动充电电路的电压。

MAX1678芯片存在转换效率高的特点，采用该芯片输入电压低以及内置一个同步整流器的升压式DC-DC变换器集成电路芯片。当0.87 V输入电压的情况下，就可以启动工作，存在37 μA静态化电流。此外，该芯片有着3.3 V固定输出式以及可调范围控制到2～5.5 V之间的输出可调式产品。当输出电流达到50mA负载条件的时候，其最终的转换效率将会高达90%。除此之外，该芯片内置可以用作欠压封锁功能的比较器，具备静态化电流仅仅是 2 μA关闭模式。

由于MAX1678芯片内部已经集成了功率开关、同步速流器和控制电路，因此，需要对其电路进行设计。根据实际需要选择合适的元件（电阻、电容和电感）。该电路通过外接的两个分压取样电阻R1和R2，根据公式计算得到，R1（=R2）的选择范围为100 kΩ ～1 MΩ；该电路通过外加分压电阻R3和R4，对输出电压进行设置，根据公式计算得到， R3（=R4）的选择范围为100 kΩ～1 MΩ。电感选择的范围为22～47 μH，有利于在一定程度上减小电流实际脉动，有效降低输出纹波，促进输出电流容量的不断增大。同样滤波电容可以选择陶瓷电容和电解电容，较大容量的滤波电容有利于改善输出纹波和瞬态响应。

3.3 充电电路的设计

该文设计的压电能收集电路的充电电路模块是以MAX1811芯片为核心的充电电路，如图4所示。要实现利用压电发电装置为电子产品进行供电，关键是对电量的积累。因此，该文的主要方法是采用超级电容器来收集PVDF压电薄膜产生的电量，而且对收集到的压电能，通过可反复进行充电的锂离子进行储存。

采用MAX1811芯片作为充电电路的核心，能够从外部获取电压范围控制为4.35～6.5 V之间的电压，究其原因在于其内部存在温度控制回路、电池过放电检测设备。不需要由微处理器进行管理控制，包括两个设置端，当SELV设置相对较高的时候，电池最终电压控制到4.2 V；而当设置较低的时候，其最终电压是4.1 V，能够适应不同电压的锂电池。此外，如果最终电压实际精度达到了0.5%，则会实现电池充电的安全化。另一个设置端是SELI，开关合上为高电平，充电电流为500 mA，适用于高功率的端口（4.75～5.25 V，500 mA）；开关断开为低电平，电流100 mA，适用于低功率端口（4.4～5.25 V，100 mA）。当驱动芯片的电压满足要求时，也就是说，DC-DC输出电压达到MAX1811芯片充电控制端电压要求时，其电路会自动工作。

4 结语

文章提出了基于PVDF（压电薄膜）的压电能收集的整体方案，主要针对压电能收集电路的设计，其中包括四倍压整流电路、以MAX1678芯片为核心的DC-DC转换电路和以MAX1811芯片为核心的充电电路。通过对电路的仿真分析，验证了该方案的可行性。在实验的过程中，通过对压电薄膜传感器施加一定的振动信号，经过测试，能够采集到峰值为1.5 V的正弦波压电信号。但是对最终实现对锂电池的充电，还需对进一步对整体硬件电路的调试和改进。

参考文献

[1] 李政，王瑞，唐祯安，等.高效电压能收集电路仿真[J].传感技术学报，2014，8（27）：1060-1064.

[2] 李政，唐祯安，余隽.一种压电能量收集与管理电路[J].电子器件，2015，1（38）：122-125.

[3] 刘超.振动微能量收集管理系统的研究[D].成都：电子科技大学，2014.

[4] Bobby.超级电容器简介[J].今日电子，2006（l）：37-38.

[5] 杨拥民，张玉光，陈仲生，等.基于压电陶瓷的振动能量捕获技术现状及发展[J].中国机械工程，2009（20）：21-26.