本系统由压电能量产生结构、压电能量收集与储存电路和负载组成

图2.2压电结构

l 压电能量产生结构

应用于智能门锁的压电供能系统的压电能量产生结构采用旋转式压电能量收集装置，其外环有大量弦拔（有规律的突起，外圈突起共74个，间距为3.5加减0.5mm），采用PIEZO T215-H4-303X 型压电双晶片，该双晶片安装在镀铜的内轮毂上，同时作为电极使用，其自由长度约为25.5mm,当外环转动，带动弦拔使双晶片偏转到一个极限挠度时，就能实现拨动，从而向其传递机械能。一但双晶压电片被释放，它就会以共振频率转动，通过直接的压电效应产生电能。

l 踩踏式压电-电磁复合振动俘能结构

踩踏式压电-电磁复合发电装置由压力发电装置及阵列式悬臂梁孚能装置组成。压力发电装置由内部的多组导电线圈和永久磁铁组成，其主要功能是当外界压力施加到装置上时，当顶面受到外力作用时带动磁铁向下与线圈发生相对运动,撤销压力时利用磁铁间同极互斥的性质，使得顶面上的上磁铁弹起，进而再次与线圈发生相对运动,根据动生电动势原理便可产生近似的正弦式交流电。然后，经过集电板将每个线圈产生的电流收集起来，并向外输出。 

阵列式悬臂梁俘能装置由弹簧、磁铁、悬臂梁及压电陶瓷片组成其主要功能是当外界压力施加到装置上时，当顶面受到外力的作用产生形变，从而改变上下两磁铁之间的距离，使得悬臂梁形变；利用磁铁间同极互斥的性质，使悬臂梁产生形变，从而带动压电陶瓷片产生形变形成电流；当外力撤销时顶面恢复形变，同时悬臂梁回到初始位置完成一次压电能量产生过程。同时在顶面与上磁铁与顶面连接处增加弹簧，放大形变程度，使得悬臂梁形变程度更大，发电效率更高

l 压电能量收集和储存电路

 为了收集环境中的振动能量，实现传感器等低能耗器件的自供能，使用了一种可收集环境中低频机械振动能量的发电电能收集电路，通过三倍压电路将压电晶体产生的交流电压进行倍压放大，利用LTC3588-1电源管理芯片中的低噪声全波整流及高效降压转换器进行变换，获得可为传感器等低能耗器件供电的直流电压。分析与实验表明，使用的振动能量收集电路可为传感器等器件提供电能，实现微弱电能的收集。

l 压电能量收集电路 

能量收集多采用标准电荷捕获电路。压电能量收集器在机械振动作用下产生的交流电信号需经桥式整流、滤波和DC-DC电压变换单元后，输出的电能再由储能元件储存起来。传统的桥式整流电路，电路的压降大，输出的电压不稳定，且耗能多。为了收集到尽可能多的能量，本文使用三倍压电路，先将电压升压，然后用以LTC3588-1芯片为核心电源管理电路整流和稳压。系统框图如图2.5所示。

l 三倍压电路 

图2. 6三倍压电路

低频振动时，压电能量收集器产生电压较小，且电源管理芯片工作电压需要大于2.7 V，故本系统使用了如图2.6的三倍压电路，将压电能量收集器产生的电压进行升压。

电路工作原理为：在正弦电压源的第一个正半周时C1被充电至U，第一个负半周时C2上的电压被充电到接近2U；当第二个正半周时，D1、D3导通，D2截止，C2上的电压与电源串联经D3对C3充电至3U。 

在开始的几个周期内C3上电压并不能真正充至3U，经过几个周期之后C3上累积的电压约为3U，从而在负载两端得到近似于三倍的电压。系统电路输入端采用低频振动时压电能量收集器等效输出，电压峰值为3 V，振动频率为3 Hz。其输出波形如图2.7所示。

l 电源管理电路 

采用新型电源管理芯片LTC3588-1，以优化对低压电源的管理。LTC3588-1内部集成一个低损耗、全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，通过压电能量收集器收集环境中的振动能量，然后将这种能量转换成调节好的的电压输出，可以为微控制器、传感器、数据转换器和无线传输组件供电。

LTC3588-1的输入电压为2.7 V～20 V，可设定4种不同的电压输出：1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V。LTC3588-1可对输入的电压进行整流并通过外部存储电容器进行滤波、存储，同时通过内部并联稳压器稳压、限幅。LTC3588-1有11个引脚，当D1为高电平、D0为低电平时，其输出电压为3.3 V。电源管理电路如图2.8所示。 

图2. 9能量收集电路

整体能量收集电路如图2.9所示，压电能量收集器将机械能转化成电能，通过三倍压后，电源管理电路对电压进行稳压和存储，然后就可以给低功耗的电子器件供电。

一.1.1 元器件参数

l PIEZO T215-H4-303X 型压电片

技术参数

公称尺寸：31.8×12.7×0.38 mm³

材质：PZT-5H

可串联使用

由一个130微米厚的金属垫片夹在两层PZT之间，每层厚度为125微米

PZT压电陶瓷用锆、钛、铅的氧化物配置后烧结而成。一般采用双模结构，具有显著的介电、压电和铁电特性，PZT铁电厚膜兼有块状材料和薄膜的优点，可在低压和高频条件工作，主要应用于机械能电能相互转换类传感器。

实验测量得旋转式压电能量收集装置旋转一周时，单个双晶片产生的能量为533微焦，如果外圈的拨弦精度进一步提高，其产生的能量将扩大四倍以上，当采用4个双晶片时，每转可产生的能量为17毫焦，应用于智能门锁的压电供能系统，其齿圈结构为360度，采用六个双晶压电陶瓷片，每完整转动一次，单个旋转式压电能量收集装置产生能量为8.21毫焦，而每次进入房间包含开门与关门两个过程，旋转式压电能量收集装置可以完整运行两次，可产生16.42毫焦能量。经实验测量得当使用者在踩压式压电-电磁复合发电装置迈出一步时（面积为一平方米，一平方米面积约有25个踩踏式压电-电磁复合复合振动俘能结构），能够踩踏4个俘能结构，每个俘能结构大约能产生7.32毫焦的能量，使用者在开门及关门过程中能够踩踏四次，即共产生117.12毫焦的能量。

智能门锁完整运行一次所需能量：在测量了100智能门锁运行时能量，取其最大值为200毫焦，即此供电系统能维持智能门锁的长时间甚至永久运作。