振动无处不在，这种微小的机械能在过去并不为人们所重视，然而却在微功率源中有它的特殊应用价值，特别是在汽车、飞机、桥梁或大型机械等多种场合中，而这些场合往往是无线传感器网络系统应用的重点领域，因此振动能具有广泛的来源。振动能量采集就是采集机械、车辆、楼宇以及如桥梁等其他建筑架构产生的一般机械振动能，并将其转换为电能，无需布线和电池，就可驱动传感器的一种能量采集技术。

1.振动提取能量的结构

从振动提取能量的装置有静电的、电磁的和压电的多种形式。一种利用振动的集能装置是电磁MEMS谐振发电器。该装置的基本结构如图8-28所示。它的上下有4个磁性体，中间放置一个线圈，前者嵌置在硼硅酸玻璃基片刻蚀出的凹坑内，线圈则位于悬臂型球拍状的硅片上。线圈振动感应出电压，产生的功率为

P=ma²Q/8ω

式中，m是线圈惯性质量，a是输入加速度，ω是谐振频率，Q是开路品质因子。

图8-28 振动型电磁发电器

设计的硅板尺寸为宽3.7mm，长3mm，铜线圈是分立的，外径为2.4mm，内径为0.6mm，质量是0.028g。对固定加速度，产生的功率随频率增加而减少。此外，对微加工器件，Q值极大地取决于空气的阻尼效应，因此为了避免过多的损耗，发电器在真空中工作是必要的。

悬臂式振动发电装置也进行了大量的研究。图8-29是双压电板单悬臂式发电装置示意图。压电晶体板一端固定，承受一定预负荷，另一端加一重物，维持摆片质量，在振动的驱动下，振动板获得初始加速度，产生位移、变形，发电器就会提供交流电压。电压大小与压电晶体的介电常数，弹性系数、耦合系数有关，也与外部振动频率和加速度有关，当外部振荡频率与装置的谐振频率一致时，输出功率最大。一般来说，谐振频率的带宽是比较窄的，为了拓宽谐振频率的带宽，可以做成两端固定的悬臂结构，两端固定处加有轴向预负荷重物放在中间，也可以有几个重物分布在悬臂上。分析表明，对2.5m/s²、120Hz振动源，1cm³设计能产生375mW功率。为了实现一体化集成的微型化传感器节点，对压电材料性能和制作工艺提出了诸多要求：①压电材料有良好的晶体与界面性能，以便与生长基片和电极有良好的接触，且有充分的材料性能来产生可用电压；②功率源的生长、制作和集成应符合标准的微加工工艺；③集成装置的设计（带最佳压电晶体层）应在周围环境振动的激励下产生最大的输出电压。

2.振动电源模块的设计电路

电源模块设计系统框图如图8-30所示。

图8-29 振动型电磁发电装置外形图

图8-30 振动电源设计系统框图

振动能通过能量转换电路，将振动能转换成电能，然后通过储能电路储存，再经过DC-DC升压电路进入到智能电源管理电路。系统默认选择振动产生的能量，当振动产生的能力不足时，自动切换到锂电池供电。储能电路正常工作电压是2.7V，而智能电源管理电路正常工作电压是5V，所以设计了DC-DC升压电路，经过升压电路，2.7V输入电压变为5V输出，使智能电源管理电路能够正常工作；可充电锂电池正常工作电压是3.7V，系统工作电压主要是3.3V，因此设计了LDO电源电路。通过LDO电源电路，3.7V输入电压变为3.3V。

3.基于压电材料的振动能量转换

振动源采用压电晶体，利用其压电效应实现机械振动能到电能的转换，可以利用正压电效应发电。由于压电材料产生的是低交流电压、极其微弱的电流，产生的电流是瞬间和交替的，它以不规则的随机突发形式提供能量，而且在电能提取过程中具有阻尼效应。因此需要设计压电发电电源电路，对压电发电装置产生的电能进行能量转换和存储。压电晶体充电等效电路如图8-31所示。

图8-31 压电材料充电等效电路

L1是匹配电路的初级电感，I₁是流入初级电感的电流，L2是次级电感，I₂是流出次级电感的电流，M为互感器，C2为次级电容，I_in是流入整流电路的电流，V_in是整流前C2两端电压，I是流入储能电容的电流，V_rest是储能电容两端点电压，Cst为总储能电容，由于Cst的值远远大于C2，因此V_rest在每个充电周期里是固定不变的。从能量源的角度出发，压电材料等效为交流电流源，I_p和等效电容C_p并联。

4.能量转换电路设计

通常使用的电源电压是直流电，而压电振子输出的是一种交流电，不能直接作为供电电源，这就需要设计相关的整流滤波电路，将压电材料振动产生的交流电压变为脉动的直流电压，经滤波得到平滑的直流电压。(www.daowen.com)

本系统采用能量利用效率较高的桥式全波整流电路，如图8-32所示。D3～D6构成桥式整流电路，4个二极管轮流工作，V_ac正半周时，D4和D6导通；V_ac负半周时，D3和D5导通。当I₂对C2（见图8-31）进行充电时，C2两端电压上升，C2两端电压升高到V_rest时，整流二极管导通，C2两端电压被钳位到V_rest，I₂通过整流二极管对Cst进行充电；当整流二极管均截止时，C2对前端进行放电。但此时输出的电压是脉动的，含有较大的纹波，必须通过滤波加以消除，才能得到平滑的直流电压。该电路中采用470μF电容进行滤波，保证电路中电压和电流的稳定。当输出电压在一定范围内变化时，该电路具有很好的稳压性能。

（1）储能电路设计

超级电容作为一种新型的电力储能元件，既具有静电电容器的高放电功率优势，又像电池一样具有较大的电荷储存能力。同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、免维护等优点。

图8-32 整流滤波电路

图8-33 超级电容工作原理

本系统采用SU2400P-0027V-1RS超级电容设计了储能模块，其额定容量为300F，额定电压为2.7V，具有较高的功率比、能量比和较低的等效串联电阻，其工作原理如图8-33所示。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，形成双电荷分布层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路释放，电解液界面上的电荷响应将减少。由此可以看出，超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的，与利用化学反应的可充电电池是不同的。

（2）DC-DC升压电路

DC-DC升压电路选择MC34063，其性价比高，效率高，如图8-34所示。

图8-34 DC-DC升压电路

输入电压V_in是2.5～40V，输出电压V₁是5V。

（3）智能电源管理电路设计

智能电源管理电路选用芯片MAX1555。首先针对外接电源与锂电池电源的实时电压状态自动选择供电方式；其次，完成对系统内3.7V、2200mAh的锂电池的充电任务。如图8-35所示，当外接USB接口时默认选用USB电源，如果没有USB提供电源时，当振动能量足够，此时V₁=5V，一边为系统提供电能，一边为锂电池充电；当振动能量太小时，MAX1555的4脚自动关闭，与5脚相连的锂电池自动供电，实现了振动能量和锂电池之前的无缝切换。

图8-35 智能电源管理电路

（4）LDO电源电路模块

LDO电路选择ADP3300-3.3，其系统负载输入电压的范围是3.2～12V，输出电压是3.3V，如图8-36所示。

图8-36 LDO电源电路模块

利用振动产生的能量，结合可充电锂电池，为无线传感器网络节点永久提供能量。该系统经过硬件测试，运行稳定，工作良好，不仅能自动对供电方式进行选择，而且可以完成对锂电池的充电功能。同时，系统软件提供的睡眠唤醒机制与通信协议相匹配，能够保证在无线传感器网络可靠通信的基础上，进一步满足低功耗系统需求。系统结构简单，成本低，节点寿命长，可靠性高，有较高的使用价值。