能量微型采集在為監(jiān)控電機所需的無線傳感器供電方面發(fā)揮著特別重要的作用。通過收集電機運行中固有的振動能量，無線傳感器可以實現(xiàn)零功率性能和電機運行壽命。工程師可以利用Cymbet，Linear Technology，Microchip Technology，Mide Technology和Texas Instruments等制造商提供的各種可用傳感器，微控制器，無線IC和開發(fā)套件，加速零功耗無線傳感器設(shè)計的產(chǎn)品開發(fā)。 。

雖然電機故障可能由于各種原因而發(fā)生，但它們通常會逐漸發(fā)生，從而出現(xiàn)隨時間推移而增強的警告信號。隨著溫度的變化，典型電機的振動特性提供了電機性能和最終失效的有用指標（圖1）。

（a）

（b）

圖1：電機的工作特性反映在其頻率特性中，如在無負載工作的簡單直流電機的頻域特征變化中所見（a）在負荷（b）下。 （由飛思卡爾半導體公司提供。）

通過監(jiān)控電機性能和運行特性的變化，工程師可以在電機停止運行之前預(yù)測各種機械故障。因此，工廠操作員可以在災(zāi)難性故障可能導致工廠停工或甚至造成危及生命的情況之前更換電機。

為監(jiān)控電機運行，振動能量收集驅(qū)動的無線傳感器提供了一個特別引人注目的解決方案。通過從電機振動中清除能量，這些零功率設(shè)計可以保持有效的連續(xù)運行，而無需更換電池。這些設(shè)計的核心是專用電路從振動傳感器中提取能量 - 作為專用于傳感器數(shù)據(jù)采集和無線通信的應(yīng)用電路的能量采集電源（圖2）。

圖2：在典型的能量收集無線傳感器中，全波橋式整流器和穩(wěn)壓器為專用于傳感器數(shù)據(jù)采集和通信的應(yīng)用電路提供電源的基本元件。 （由Mide Technology提供。）

對于振動傳感器本身，壓電設(shè)備提供了一種簡單，低成本的能量收集源。懸臂式壓電器件，例如Mide Technology的Volture系列，包括兩個電隔離的壓電晶片。它們可以單獨使用，串聯(lián)連接以增加電壓，或并聯(lián)連接以增加電流輸出。在典型的能量收集設(shè)計中，由于兩個方向的偏轉(zhuǎn)，這種類型的換能器的輸出是AC波形。在給定的工作電壓下，壓電器件產(chǎn)生與其偏轉(zhuǎn)成比例的功率（圖3）。

圖3：懸臂式壓電器件產(chǎn)生與其偏轉(zhuǎn)成比例的功率。 （由Mide Technology提供。）

為了從壓電器件獲得最大能量，工程師需要確保器件以其諧振頻率工作，并且該頻率與振動電機的頻率相匹配 - 與典型情況一起使用時是一件簡單的事情60或120 Hz電機，應(yīng)用簡單。對于更復(fù)雜的振動環(huán)境，工程師可以使用Mide VR001等設(shè)備來確定振動源的振動特性。在找到光源的主要振動頻率后，工程師可以簡單地將質(zhì)量增加到典型的懸臂式壓電器件，以改變其諧振頻率（圖4）。

圖4：典型的壓電器件在其工作電壓等于其開路電壓時產(chǎn)生最大功率，提供了一種相對簡單的最大化方法這些設(shè)備的輸出功率。 （由Mide Technology提供。）

通過適當調(diào)諧的壓電裝置，最大化能量傳遞成為使負載與壓電等效阻抗相匹配的問題。在典型應(yīng)用中，壓電和負載阻抗可視為一個簡單的電阻分壓器，包括壓電的等效阻抗和負載的阻抗。在這種情況下，當壓電和負載阻抗值相等時發(fā)生最大功率傳輸，這對應(yīng)于壓電輸入工作電壓等于其開路電壓的一半的工作點。

專業(yè)的能量收集設(shè)備，如凌力爾特公司的LTC3588-1，允許設(shè)計人員將工作電壓設(shè)置在所需的水平，以最大限度地提高傳感器的功率輸出。事實上，LTC3588-1提供完整的能量收集解決方案，包括全波橋式整流器和同步降壓轉(zhuǎn)換器，以最大化壓電器件的能量輸出。對于簡單的應(yīng)用，LTC3588-1僅需要少量外部元件即可實現(xiàn)完整的能量采集電源（圖5）。

圖5：凌力爾特公司LTC3588-1集成了全波橋式整流器和降壓穩(wěn)壓器，可以設(shè)計壓電能量采集無線設(shè)計，帶有壓電設(shè)備，如Mide V21BL和少量附加組件。 （由Linear Technology提供。）

Mide提供EHE004能量收集模塊，該模塊結(jié)合了LTC3588-1和相關(guān)組件，與合適的Mide Volture壓電設(shè)備結(jié)合使用時可提供插入式能量收集解決方案。 EHE004模塊允許工程師為每個Volture器件中的成對壓電晶片選擇串聯(lián)或并聯(lián)配置。

在實際的無線傳感器中，能量采集電源的穩(wěn)態(tài)功率輸出可能不足以滿足與無線數(shù)據(jù)通信相關(guān)的峰值需求。因此，工程師將如上所述的基本能量收集電路與電荷存儲和電池管理功能相結(jié)合。

例如，線性LTC4071電池充電器IC等設(shè)備可以添加少量附加組件到前面描述的基本能量收集電源（圖6）。這里，LTC4071設(shè)置為低于薄膜電池允許的最大浮動電壓的浮動電壓，同時使用NTC熱敏電阻監(jiān)控電池溫度。除了低電池斷開等附加功能外，LTC4071還具有低至550 nA的工作電流，可以從極低功率電源進行充電。

圖6 ：對于電池管理，LTC4071等設(shè)備可以擴展基本的能量收集電源，以支持薄膜電池等外部存儲設(shè)備。 （由Linear Technology提供。）

Cymbet CBC915 EnerChip?EP（能量處理器）IC等設(shè)備提供能量收集和存儲管理的集成功能。為了確保傳感器的最佳功率輸出，CBC915使用最大峰值功率跟蹤（MPPT）算法來確保與傳感器輸出阻抗匹配。此外，CBC915還具有多種工作模式，并提供所需的電源管理功能，以確保對外部存儲設(shè)備（如Cymbet EnerChip CBC050）進行適當?shù)某潆娍刂坪捅Ｗo。

Cymbet的CBC-EVAL-09套件將CBC915，EnerChip薄膜存儲設(shè)備和相關(guān)電路組合在一塊印刷電路板上，使工程師能夠加快對能量收集設(shè)計的理解和實施。 Cymbet設(shè)計的CBC-EVAL-09與德州儀器（TI）eZ430-RF2500無線演示套件配合使用，提供預(yù)構(gòu)建的參考設(shè)計，以幫助開發(fā)能量收集無線傳感器應(yīng)用。

對于數(shù)據(jù)管理和傳輸，工程師可以找到各種可用的低功耗收發(fā)器和MCU（參見TechZone文章“超低功耗MCU實現(xiàn)能量采集設(shè)計”）。與同類產(chǎn)品中的其他MCU一樣，Microchip PIC18LF14K22等IC提供多種節(jié)能模式，同時集成了全部通常所需的硬件功能，提供片上功能，包括ADC，模擬比較器，電壓基準和多個定時器。對于無線電傳輸，Microchip MRF24J40MA IC等器件提供低功耗2.4 GHz，802.15.4無線電解決方案。

結(jié)論

能量收集技術(shù)為監(jiān)控工廠，商業(yè)和住宅設(shè)備和電器中的電機運行提供了一種特別有效的方法。使用電機振動作為能源，零功率無線傳感器可以提供關(guān)于電機運行甚至即將發(fā)生的故障模式的關(guān)鍵信息。利用可用的IC和開發(fā)套件，工程師可以設(shè)計出能夠滿足各種特定應(yīng)用要求的振動供電無線傳感器，同時從電機本身的振動中提取能量。