本帖最后由 watershade 于 2020-1-6 12:22 编辑
一、应用构思
毫微功耗能量收集产品构思物联网概念出来已经有十多年，但是在最近两三年开始真正的渗透到更广泛的应用中。随着物联网的发展，我们越来越认识到之前电子产品能量供给方式不能满足日常需求。而这也必然限制了物联网的发展。
我们可以梳理一下当前能量供给的方式：大多数白色电器直接接入市电供电，移动物联网设备和无人机等通过锂离子电池供电，遥控器通过一次电池（不可充电纽扣电池或者5号7号电池等）供电，老式汽车、机动车、飞机等通过汽油/柴油带动引擎运动然后通过发电机带动车能电子产品运转，电动汽车通过电池直接供电；太阳能路灯等通过太阳能收集能量；还有一些老式火车和火电厂通过煤炭燃烧带动蒸汽机运动继而产生电能；水电厂通过水的势能带动发电机工作。
我们会发现随着科技的发展和对设备移动性的追求，电池几乎成了唯一重要的能量来源。所以理所应当的，我们的似乎会限制在如何更好的减少用电器的节能模式（当然这是一个非常有效的方式，但不是唯一方式）。但事情还有另外一面，近些年我看到户外很多的产品已经开始考虑太阳能（比如太阳能路灯）；也有一些聪明的厂商设计了利用按压动作来带动电磁装置发电的智能开关；甚至在几十年前，有人就已经利用自行车轮子带动小的发电机去实现自行车照明（多聪明的主意）；NFC和RFID设备利用电磁能来实现能量传递；某些海边的传感器直接利用风能来实现能量收集。也就是说在节能之外还有一条路可走，就是收集无处不在的各式能量。在户外的物联网设备最常用的能量来源就是太阳能；某些常年有风的地方可以利用风能，海边某些地方可以利用潮汐能；有些场合可以利用塞贝克效应去收集热能（比如地热能）；某些场合可以利用压电设备来收集能量比如内置传感器的运动数据收集的运动鞋。
关于微功耗能量收集产品已经构思了很久，借着这次PCB设计大赛的机会做一些尝试。本次产品的构思希望解决实际问题，而非炫技之作。但考虑到比赛有时需要一些亮点，就需要在功能的基础之上，在添加一点华丽的包装。下面将自己已经构思一段时间的产品介绍如下。
1、地下管道所用智能水表燃气表的能量供给方式
这个应用是我在一年半以前了解到水电表的抄表难度时想到的解决方案。能量传输的方式有很多种，通常电能的传输是效率最高的方式。但有时候电能的传输成本并不低，有些时候采用电能传输也是不可能的。那么有没有其它的能量传输方式呐？当然有！光能、无线电等电磁波也是相对比较频繁试用的。但声波（包含超声波和次声波）通常被用来传递信号，却很少用来传递能量。但我们知道除了电磁波可以传输能量外，机械波也可以。机械波传递能量的最大问题在于介质对于能量的吸收。所以空气中声波的传输通常都不会太远，但在一些固体和液体材料中，声波的传输距离很远，这同时也意味着能量的传输是可行的。目前在水表和燃气表中传输的数据很少，因此可以使用深度休眠来实现超低功耗运作，所以一块电池可以试用很久。这时最常用的水表供电方式。但是实际上水表，燃气表其实本来可以发挥更多的作用：在计量之外，也可以担当检测、监视的功能。这时候这些能量可能也不够。而且几百年目前的设计，仍然有一部分设备在维护期限来临之前需要更换。如果试用声波供电和储能技术就可以很好的解决能量供给的问题。基本思路就是在管道的地面站里安装一个声波发生器（构成非常简单），然后将声波发生器产生的声波通过水表和燃气表的管道（通常是无缝钢管）传输出去。这时声波的频率最好选择在此种介质中传输比较远的超声波。每个水表附近贴着管道外壁的地方安装与发射超声波频率谐振的压电发电片。压电发电片收集到的微弱能量经过微功耗能量收集板存储到超级电容或者电池中，然后供给给水表使用。
2、智能首饰能量供给方式这个是最近的构思。之前接触一些艺术和媒体交互的人群，他们喜欢可穿戴的电子产品。但是此类产品的问题在于你需要在身体上固定一个电池，并通过线缆传输到相关部位。对于这些人群，这是一个痛点。同时对于一部分可穿戴设备（比如戒指，项链），人们并不喜欢反复穿戴和取下。尤其是需要插到充电器上去充电。那针对这种产品有没有好的解决方案呢？先那智能戒指来说，这是一个比较适合作为控制设备和信号提醒设备的可穿戴产品。因为尺寸小巧，上面只能安装尺寸很小的电路。为此对于这种产品供电就是挑战。一方面可以使用小巧的光电转换产品比如硅光电池,另一方面可以借助手部需要经常运动的特性设计巧妙的机构来产生电能。目前有两种机构设计办法：一种利用一个固定在弹簧上的永磁体阵子切割线圈的方式产生交变磁场。另一种是利用弹性锤捞回撞击两侧的压电机构产生微弱电流。如果产品做的足够小就可以链接到一个很小的整流单元上然后输出稳定电压。硅光电池的方案可能是一种比较简单的方案，但电量是否足够有待了解。
3、海洋深水传感器在海底或者海面上有时需要放置一些传感器去测试水质或者其它情况。为了保持充足的续航，有时需要配备很重的电池。那么有没有可能制作防水的超声或次声波能量接收装置呐？这样就可以使用声波通讯和声波充电。当然充电和通讯的声波频率不一样。
4、音乐会荧光棒通常音乐会的荧光棒使用的是蓄电池+闪光的方式。这种荧光棒很多人用完即弃。那么能否基于压电结构设计一款自发电荧光棒将是很好的选择。而且丢弃后还可以循环利用。
5、宠物项圈现在的智能硬件有很多，但智能硬件的突出问题就是需要经常性的充电。在一些场合下经常充电是一件很考验耐心的问题，比如经常给宠物防丢项圈充电。或者经常给检测健康状况的手环充电。Case By Case的来看，宠物项圈可能是一个微功耗能量收集的切入口。因为宠物经常运动，而运动的能量如果能够收集，这将是非常具有吸引力的。目前针对动物运动的机械能收集，我暂时能够想到的是利用压电设备采用巧妙的结构设计，使其能够在宠物运动时带动一个撞珠去敲击周边的压电装置。另一种是设法制作一个机械能带动的连杆去带动电磁装置运动从而收集电磁能量。
二：板卡设计
毫微能量收集系统原理设计
本设计一方面为参加贸泽的PCB大赛，另一方面也可以考虑后期生产正式的产品。所以做此文档，详细记录设计过程。
一、如何演示本次毫微能量收集最初打算做几块不同形式的能源收集电卡。但是因时间和经费有限，本次决定只制作基于压电效应的能量收集板。其实利用压电效应产生电能很早就在应用：汽车电打火、点火天然气灶具开关和廉价的打火机都使用按压产生的电量来引燃燃料。但基于压电效应的能量收集方案却并不多见（有一些但似乎并不普及）。其实在某些场合下工作的IOT设备的确很适合使用压电器件供电。其中一款很好的应用便是用在鞋子里：当穿戴者使用鞋子走路的时候利用压电设备作为传感器可以自动记录使用者步数，其实也可以利用压电设备来收集步行的能量。而且通过这种方式产生的能量十分丰富足够可穿戴设备使用。 目前计划基于同一块电源板设计两款应用。这样可以更好的展示板卡的效果。
1、智能水表系统超声能量传递在地下水管管道里常安装有水表，随着智能城市的建设越来越的水表正在转变为智能水表。但是有些场合智能水表的电量供给是一个难题。很多使用“一次电池”来供电，但是这种方式实际上增加了维护的难度。同时为了保证设备的长期利用，其所提供的数据传送频率就不会太高。而且也不能使水表长期保持工作状态，这就降低了利用智能水表发挥边缘智能的潜力。（比如基于水量和流速以及和上下游水表的通讯来确定水管破裂等情况）但是智能水表却不像电表一样因为负担传输电能的作用，本身就有电路供给。那目前我们的一个思路是能否利用水管介质来传递能量。主要水管线路多使用钢管来传递水，而钢是超声波的良好导体。通过在地面容易供电的地方安装超声换能器发送特定频率的超声波，而在智能水表节点设备使用可以和发送超声波谐振的超声波发电片接收超声能量，这样就保证了能量的有效供给。实际演示时若不能找到水管可以找铁板或者直接以桌面为介质演示超声波的收发实现能量供给。使用lora来将模拟水表的信息传递给我们。
2、宠物定位自生能量 或 能量摇摇棒这两个产品都使用压电能量收集。
二、 硬件设计思路用电设备分析本次的用电设备是Lora数据采集设备。因为本次设计的核心是毫微能量收集，这部分电路直接使用手边的SX1262或SX1268无线模组。本次使用的模组接收电流在10~12mA。休眠电流只有1.6~2.5nA。SX1262/SX1268本身的工作电压在1.8~3.7v.这个电压范围比较广，为后续操作提供了基础。为了展示需要，我们添加几个传感器：一个是来的TI的温度传感器TMPT1075，另一款来自ADI的加速度传感器ADXL355。这两款芯片都是本次申请来的。前者的电压范围1.7~5.5V，后者是2.25~3.6V。两者均支持I2C，所以我设计的时候可以考虑级联两个设备，减少接口使用。还需要一个MCU，考虑低功耗应用不妨使用STM32L0系列的产品。因为整体对性能无甚要求，所以可以考虑选择一款低端产品：比如STM32L010系列。具体型号后期再确定。这款产品的电压范围也是1.8~3.6V，对后期电源部分的设计减少了很多压力。 所以总接起来我们的设备供电范围最好在2.25~3.6V。但是SX1262和SX1268内部集成DC-DC或者LDO。本质上可以不需要前级的稳压环节。传感器内部ADC环节也都有自己的电压。但是考虑到本次刚好申请到一片Rohm的BD70522GUL-E2芯片。它的静态电流只有180nA.而且效率极高。而且输入电压范围2.5~5.5V.为后面的电路提供更稳定的电压当然更好。而且还可以根据需要添加一个电路总开关。为了兼容两者设计，也可在电路中设计一个旁路电路。这样在不需要BD70522或者减少成本的时候隔离它。考虑到BD70522GUL-E2的输出是离散的：1.2V, 1.5V, 1.8V, 2.0V,2.5V, 2.8V 3.0V, 3.2V和3.3V。如果不考虑ADXL355的画，我们考虑给整个系统1.8V或2.0V的电压输出。但因为ADXL355的最小电压是2.25V。所以理想情况下可以选择2.5V。 综上所述，我们用电设备的电压范围在2.5~3.6V比较合适。这也为前一级的能量存储起到一个很好的指导作用。（详情可看能量存储分析部分）在不考虑ADXL355这个特例的情况下（我们正真的后期何以更换电压更低的加速度计），我们的电压范围甚至可以扩展到1.8V~3.6V。
电源部分分析
1、整流初级稳压环节整个系统通过压电发电片来实现。一般压电陶瓷产生的电压很高，有时能高达60V/70V。因为产生的电压是交流电，所以需要经过整流环节。整流之后再输送给Buck电路。有时为了保证更高效，也可使用Buck-Boost模式的器件：这样在较低电压时能够通过Boost电路将电压升举到目标电压。考虑性价比和器件的易得性目前选中几款ADI的芯片: LTC3588-1/2(Buck)，LTC3330(Buck-Boost)和LTC3331(Buck-Boost)电路。这几款电路在无负载时的静态电流只有950nA，非常适合毫微能量收集。这里暂时线不选择输出电压大小。但是对于Buck电路有一个原则：输出电压一定比输入电压小。当输入电压有更宽广的范围，才能保证收集足够多的能量从而保证整个系统的效率。因此暂时排除LTC3588-2，因为他的输入电压范围是14V~20V.相比较而言LTC3588-1的可选择输出电压：1.8V, 2.5V, 3.3V, 3.6V.而LTC3331的可选择输出电压：3.45V, 4.0V, 4.1V, 4.2V. LTC3330可选择输出电压：1.8V, 2.5V, 2.8V, 3.0V, 3.3V, 3.6V, 4.5V, 5.0V.考虑到输出电压应当尽量低所以LTC3331的电压可能不一定合适。后期分析的时候再详细说明。
目前还有一个问题，刚才提到压电器件的瞬间电压很高，目前基本找不到能够覆盖如此宽广电压的器件。LTC3330和LTC3588-1的最高输入电压才只有20V。为了防止烧毁可以考虑在整流到直流之后添加TVS管或者添加LCR环节将电压平稳下来。因为这两个器件内部自带整流和TVS可考虑暂时不添加。另一种方法是寻找激发电压不太高的器件。
2、能量存储目前常用的能量存储有两种方式：一种使用电池存储，另一种使用超级电容。前者放电曲线中有一段比较稳定的电压输出，而后者几乎是一条线性曲线。但是后者充电电流比较大，价格比较低。LoRa设备的接收最大电流要3~12mA左右，在考虑发射功耗和其它部分功耗。最好能够保证电池的储蓄放电能力在25mA以上，甚至更高。另一方面电池的电量泄露远比超级电容做的好，所以电池能够保证更长时间的电量供给。在工业和消费级别产品上，电池都比较合适。超级电容适合那些不需要长期存储能量的情况下，用在消费电子可能更合适。就我们本次的演示来说：电池两者都适合，超级电容只适合后者。就用电设备分析来说，如果我们使用BD70522和ADXL355，我们的用电设备电压最好选择2.5V。因为要经过BD70522的进一步降压，所以电池的输出应该不低于2.5V.(BD70522的设计很巧妙，在VIN和VOUT很接近时，通过内部的开关直接将VIN和VOUT接通。所以理论上VIN可以低至2.5V。)如果考虑使用拆机电容，最好的是直接使用两节超级电容串联，最高电压5.5V。但考虑到整流初稳压环节的电呀尽可能低，所以其实电容的容量有很大一部分被浪费。在考虑性价比的消费电子领域倒无所谓。我们重点考虑使用电池的情况。理想情况我们的电池主要输出电压范围略高于2.5V即可。如果使用最常用的锂电池，它的充电电压高达4.2V。这样我们只能选择LTC3331的4.5V输出挡位。但如如果进一步降低电压比如磷酸铁锂的3.2V或者二氧化锰锂电池的3V将会更好。但是二次二氧化锰锂电池的输出电流通常很小(通常小于1mA)。而磷酸铁锂的稳定输出范围通常在3V~3.2V左右.非常适合我们的应用。这时我们选择3.6V的输出电压挡位，也非常适合磷酸铁锂的充电电压。
3、电池充电环节选择的时磷酸铁锂芯片。可以选择使用最常用的CN3058E来充电，但是这款芯片的最小输入电压时3.8V.其它的充电芯片也大同小异。但是我们之前确定的前一级的输出电压是3.6V。如果升到4.5V则减少了输入范围。另一方面，我们可以选择使用3.6V来实行恒压充电。考虑到前级的充电电流最大100mA，而且整个系统通常不会产生很多能量，所以可考虑不添加充电保护。恒压充电时，有时会添加限流电阻。但是即便使用1欧姆的限流电阻。在极限情况下，整个系统会损失100mW的能量，这是不可接受的。如果要限流不妨考虑使用自恢复保险丝（PTC）。实际上我们可综合后期选择电池时选择足够大充电电流的电池。目前暂时考虑使用PTC限流3.6V恒压充电，或者直接使用3.6V恒压充电，不添加中间环节。
4、电池因为时IOT设备，可能被宠物佩戴。那么在电池容量和电池充放电足够的前提下，电池重量和尺寸越小越好。从尺寸上15270(15266)的CR2电池或者16340电池勉强可以。而且类似电池的充放电电流足够大。（一般标称的放电电流高达1000mA,充电电流高达1C.对于容量300mAh的电池来说充电电流就是300mA，也满足要求。）
5、综述根据上面的分析我们可考虑在第一级使用LTC3588-1或者LTC3330的3.6V输出挡位。理论上因为LTC3330的能量收集范围从3V~18V，工作在Buck-Boost范围似乎更合适。但LTC3588-1的10(11)脚远少于LTC3330的32(33)引脚。而且LTC3588-1的报价更低，且最大输出电流更大。另一方面只工作在Buck环节，效率更高外部元件更少。所以这次选择LTC3588-1器件。如果后期想要进一步降低成本，可以考虑使用离散元件搭建电路。第一级电路整流和初级稳压电路使用LTC3588-1芯片，并选择使用3.6V的输出电压。第二级本来应当时电池充电环节。但根据前面的讨论这一级的电路取消。所以第二季时蓄电环节和电池保护环节。电池选用磷酸铁锂的CR2电池,容量可选择300mAh左右的.若选择的电池内置保护板就不再设计电池保护环节。若没有电池保护板，则添加一个使用HY2112制作的保护电路。（这是最常用的磷酸铁锂充电芯片）第三级是设备稳压环节：这个环节使用BD70522来管理后级设备。可以通过对电池电压的采集做到进一步的低压保护。当电压低于设定电压时，EN禁止输出电压给后级，这就保证了设备尽可能节能。第四级是应用电路环节。使用STM32L0系列芯片做主控，SX1068/1062芯片作为IOT系统的通讯芯片。添加温度传感器TMPT1075和加速度ADXL355来作为示例传感器。也可根据需要添加指示灯和按钮以作为视觉指示和交互。
6、其它注意事项STM32L010在standby模式下只有230nA的电流；BD70522的静态功耗也只有180nA；TMP1075在Standby模式下功耗也只有370nA.但是使用的ADXL355在standby模式下却又高达21uA的功耗。正常的设计中我应该用专业的低功耗加速度计如ADXL362，这款加速度计的表现十分出色，在Standby模式下只有10nA的功耗，而在运动唤醒情况下功耗大约是270nA.为了解决这个问题，一种方法可以考虑使用一个漏电流极低的MOSFET去开关传感器部分的电源；另一种方法是将MCU的电源和其它电源分开，然后由MCU去管理传感部分的电源。理想下，第二种方法最好。目前电池的电压在特殊情况下有可能瞬间超过3.6V，而STM32L10的工作电压是1.8V~3.6V。因此如果直接将电池输出为MCU供电是危险的。这是就需要额外再添加一个step-down环节。因为手边只有一块BD70522，而手边其它的LDO最低功耗也高达30uA.临时不方便多采购一块BD70522，所以目前一个临时的解决办法是添加一个mosfet去关断传感器板卡的电压。当需要测量时再使用他们。AO3415和FDN306P这种低压即可导通的管子比较合适。
三、板卡结构设计本次我们可以考虑设计成一块大的板卡将各个环节集成在一起。也可以将整个环节按照功能分成三个板卡：能量收集和存储板，无线通讯和通讯管理板，传感器板。能量收集和存储板卡包含了第一级和第二级电路：包含了能量收集和存储。无线通讯和通讯管理板卡包含了第三级和第四级电路的无线模块和主控芯片。传感器板当然只包含了另外两个传感器芯片。
之所以这样这样分割，首先是因为可以让板卡通过层叠结构占用更小的设备空间。另一方面，传感器独立可以做到外设的替换。第三点是无线通讯和管理作为用电设备可以和不同的电源环节兼容，可以提高设计的复用性。最后一点是本次的毫微功耗板卡是压电的，当电源适合使用太阳能或磁力的时候我可以只更换这块板卡而重复使用后面的环节。
板卡结构板卡如果能设计的比较小将是最好的。但是考虑到有一节电池是一个直径15mm长度27mm的电池。这个尺寸的电池尽管比较小，但是很难找到现成的电池安装盒。如果去定制在当前阶段也不现实。所以它的安装问题就变成了一个难题。因此我设计了一个简单的层叠结构。为此我画了一个简单的示意图：
如图所示，从底层到到顶层是电源板（能量收集和存储板）、传感器板、无线板（无线通讯和通讯管理板）和盖板。其中传感器板和无线板的位置可以根据后期实际设计需要调换。另外在一侧还有一块竖立的侧板。电源板和盖板上分别贴有铜电极（图中黄色金属部件）。在传感器板和无线板刻有一个供安装电池的挖孔。如下图：
最初打算在边缘设计半圆孔，添加侧挡板最初希望编译安装和拆卸。目前修改为挖孔图，就不需要侧挡板了。
三：板卡设计实例和图示
本项目原理图设计花费了近四天的时间，包含制作或产找每个器件3D图形。板卡外形设计花费了半天时间，Layout时间不足一天。
在设计之处有一个构思就是，尽可能的使用电路板来完成所有部件的组装。先上一组初步组装的图片（尚未进行板卡之间的连接，天线尚未焊接）：
（目前最上面的TopCover板卡因为挖孔位置失误，导致天线不能露出。新的板卡正在制作中。）
本项目在测试完成之后，将上传到github或授权电路城完全开源。这里先上传V1.1版本的文件。
文件使用Altium designer 2019制作，不妨展示一下三维效果：
下面是用Autodesk Inventor做的渲染图：
四：板卡测试的滴血经历
之前简单说了一下做板过程，因为项目开始的较晚，事件紧迫。所以板子的设计在前，一些基础测试前期做的不够完善，这就导致了本次测试的滴血经历。奉劝各位在做板卡之前一定要做好原理性的测试。好了言归正传，来看看我的测试报告。
测试报告一、采购压电发电片并测试发电效果Phase 1: 采购因为之前没有接触过压电发电片，但是见过蜂鸣器，感觉外观上不会又太大差异。再淘宝和阿里巴巴上搜索相关关键词“压电陶瓷发电片”或者“压电陶瓷片”。找到不少东西，但是淘宝上可选择的形状有限（多是圆形）.再阿里巴巴上有各种可选择的形状，而且价格便宜.所以就从阿里上选购了尺寸38x12x0.2的陶瓷发电片。收到货之后才发觉事情没有那么简单.
Phase 2: 初次不成功的测试收到货之后起初有点不止如何下手。因为这个发电片就是在陶瓷薄片两侧镀上一层银灰白色膜（我后来查文档说叫做银膜），一侧的膜上有三个圆洞，另一侧完整。用万用表测试发现每层膜都是导电的。因为所用万用表不够精确，只能粗略估计。预测一侧的膜电阻只有几十毫欧的样子。两侧被陶瓷隔离，所以不导电。中间的电阻有几兆欧姆的样子。
测试之前我其实感觉到这块发电片应该很容易碎。但是还是在两侧各直接焊接了一个电极。然后尝试用指尖挤压薄膜。但考虑到手指直接和薄膜接触所以有可能是人体电压变化。所以在表面搞了一层纸测试，结果一不小心压电片碎成两半。然后使用碎掉的那个还连有线的那一半测试，当按在桌子上挤压时，万用表似乎有几百毫伏的电压。但是这一半又碎了。这时候我意识到不能直接测试。手边刚好有铁板，就拿来作为基板使用。另一方面应该使用更精确的设备。所以将压电片放在铁板上，然后一侧焊线连接到示波器上。然后用示波器表笔的地线夹在铁板上。这次测试能看到峰值在1v的波形，感觉电压还不够，因为规格书上说能输出60V电压。于是我采用尝试直接在蜂鸣片上敲击，这时候能产生高达2V的峰值电压。但是一不小心将其敲碎了1/3。这时就使用剩下的测试。这次就铁板背面敲击，有2v左右的峰值电压。但是有一次不小心又摔碎了。整体上看来电压似乎不够大，但我相信压电材料可能很轻松产生更高电压。而且我意识到自己的测试方式不太对。这时候我意识到之前采购的时候没有注意淘宝上的成品发电片和采购的发电片的主要区别。又重新看了一遍。发觉淘宝上的都是带有一块铜板作为基板，将陶瓷发电片贴在基板表面。搜了更多的资料并联系供货商，才知道我需要采购专用的蜂鸣器胶水，粘合发电片到基板上去。 Phase 3：第二次测试，初步成功在了解到上述信息之后。我需要采购铜板和蜂鸣器胶水。但是我其实并不清楚怎么粘合，而且也不太清楚铜板厚薄多少合适。所以我原计划先采购胶水，铜板就使用蜂鸣器的。但是胶水先到，蜂鸣器稍后和其余的电子元件一起采购。于是决定先测试一下胶水。考虑到不能在基板和蜂鸣片之间塞上胶水连接，我决定在蜂鸣片边缘涂抹胶水。手边刚好有一个很薄的金属工具，决定就在它上面练手。胶水涂抹很轻松，然后等了一分钟胶水已经干了。准备测试。这次直接使用示波器测试。为了有一定的演示效果，我还添加了LED灯。这次从背面敲击，避免直接将力作用在陶瓷片上。这时候发现电压峰值电压高达5V以上。但是考虑到示波器可接受的电压范围，估计实际电压会更高。本次测试初步成功。下一次等铜箔回来再继续测试。这是粘贴在铜板上的图：
这张图片时后面又重新照的，之前忘记照了。你能看到扳手的边缘有破碎的陶瓷压电片。旁边时后来做的，你可以看到这个也已经损毁了。
二、LTC3588-1测试Phase 1：第一块板卡，状态诡异做好的第一块板子，迫不及待的连接到压电片上测试。结果通过示波器发现VIN和VOUT几乎同步变化，而且均出现了负值，现象令人惊讶。因为在我看来整流环节正常应该整流掉了交变的部分。（这次测试没有加负载，测试记录做的不完善。） Phase 2: 第二块板卡，状态依然诡异第一块板卡测试了电路，没有发觉任何问题。为了防止无意间焊接错了元器件，又重新焊接了一块新版卡。（因为芯片太贵，只购买了两片。）为了防止因为压电片产生的电源有问题，这次测试直接在VIN上面加直流，然后测试VOUT输出。测试发现电压给到5V还是没有正常输出。这次测试添加了负载，但测试过程指示灯一直没有亮过。考虑到不能破坏这块板卡，只好想别的办法。而且这次测试时，发现VOUT有时候电压不是0V有一些锯齿状的变化。（因为关注曲线，所以没有注意灯是否亮灭。） Phase 3：外购板卡，有所好转3.1 设置稳压3.6V当设置稳压3.6V时，需要保证PZ1和PZ2之间的电压差足够大。实际上我通过电压源给PZ1和PZ2加上直流电源（因为电源干扰，VIN和GND的电压差可观察到明显的纹波）的电压从3.0向上逐渐调高，只有在超过4.8V时输出才有稳定的3.6V输出（3.42~3.62之间）。而且不知什么原因VIN的电压经常在几秒到二十多秒的周期内不断在大约5V和4.4V的值之间变化。十分诡异。因为周期不是50Hz，所以不知道具体时什么原因造成。当PZ1~P2的压差在4.8V一下时，就不能很好的呈现稳压状态。当加上一个用LED模拟的负载时，在PZ1-PZ2压差时4.8V时状态也很不稳定。稳定值大约在5.4v。 3.1 设置稳压3.3V这次测试依然延续之前的电路，只改变目标电压。发现大约5.35v,才能输出稳定的电压。 Phase 4： 在第二块自制的板卡上重新测试这次测试的时候，在VIN分别输出6V，8V，12V，15V和18V的电压测试输出。这次终于正常。但是在高于12V的时候曾出现过VOUT、不正常的情况。但是重新测试又好了。这块芯片让我摸不着头脑，十分沮丧。电路如此简单的芯片，看了很多遍Datasheet还是搞不清楚状况。甚至怀疑是不是买到了假芯片，因为电路原理设计我确定没有问题。那么现在又两种方法，一种是将外购板卡的芯片替换第一块板卡的芯片测试。另一种方法是重新再购买一块芯片，焊接测试。考虑到目前已经再这个项目上花费很多，理想情况是不再采购新的芯片。 三、 振动电机带动铁板振动，测试压电片发电效果做完上面的LTC3588-1的测试，下一步当然是将发电环节连接到压电片。但是之前的敲击发电效率不够高。这次做实验，我准备用振动电机去带动铁板振动，看一下最终效果。因为手边材料有限，只有一块3mm的铁板。（之前用来制作一个磁吸式烧录器用的） Phase 1: 将压电片黏贴到铁板上经过多次测试，电压可以驱动LED微弱闪亮，但是如果经过LTC3588-1之后，VIN的尖峰也许可以达到5.4V，但时间太短。而持续的电压最高只能达3v多一点。VOUT有一点变化，但均不超过1v。因此不能驱动。请看测试视频。 Phase 2: 将压电片串联压电片大部分破碎了，很难继续这个测试。所以只好用破碎的压电片粘在另一边。最终效果和Phase 1没有太大变化。准备改变测试方法，采用悬臂结构或者两端支撑。（在部署时无意间损坏了所有的压电片，加上运费，每个压电片都要七八块钱。总共买了12片，其中11片光荣牺牲。心疼...）
四、使用悬臂式或者两端支撑结构因为压电片全部损坏，决定重新买几片继续测试。这次买了尺寸是60200.2的。因为铜片还没有来。在正式测试之前做了一个简单悬臂的，结果测试了一会，发现一段损坏了。再准备拆除后用它做新的实验时，彻底损坏。又做了一个串联的，为了防止损坏，没有用胶水。结果在测试时，一端损坏。在拆除时，彻底损坏。用胶布的时候一定要注意，一用力压电陶瓷片就坏了。这次的均价11元，也就是这次不到一个小时的实验损失了33块钱。心疼不止。下一步要想好怎么做实验。 五、LoraNode板卡测试最开始想着BD70522只有9个引脚用热风枪很容易焊接。但是在测试压电片的间隙，测试了这块板子，发现不能正确输出2.5V。反复焊接几次不小心把芯片上面的一层丝印给破坏了，芯片一侧似乎也有损坏。当时只申请了一块，为了继续实验，就外购了三片。芯片要6.5元左右，但是运费24.所以每块芯片差不多15元。到手之后再原来的板卡焊接，结果因为焊盘除了问题，不好定位。另一块报废。幸亏多买了芯片，所以决定那一块新的PCB开始焊接。（这次还好，终于焊接成功。得到2.5V的输出，然后从老板子上取下主要芯片和模块重新焊接到新板子上。这次项目很不顺利，又很多次返工。项目时间严重拖后。 六、项目临时总接新买的压电片到货了，但是铜板因为申通快递配送问题，等了三四天还没拿到手。已经到了上交项目时期，软件工作也刚开了个头，知道项目赶不上进度了。无力回天，十分痛苦。这次项目，尽管时PCB大赛。但是还需要设计到整体的演示环节。可是项目的测试到现在迟迟没有得到好的结果，后面的工作也不方便开始。只能实事求是的上报目前的情况。这个项目除了为参加本次比赛，还是正在进行的个人项目的其中一个。所以还会继续下去。项目准备上传到github上。（等这一阶段完成就上传）关于这次项目教训很多。第一个：电路板开始设计之前一定要做好原理测试。（本次尽管做了一些原理的测试，但是不够具体。）第二个：项目要安排好时间，研发项目如果一味的赶时间会出很多问题。第三个：做测试的时候一定不要心急，同时也要百折不挠。第四：项目稍微大的时候，一定要注意合作。即便合作者什么也不懂，搭把手时很重要的。第五：不要急功近利
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~资源说明：
v1.0是主版本，v1.1分别修正了几个错误。PCB设计工具用的是Altium Designer2019.但理论上AD10以上均可打开。
同时提供PDF文件以方便查看。
v1.0 zip包：
PiezPHB v1.0.zip
(6.5 MB, 下载次数: 7)
| 
发表于 2019-12-30 22:02:03
/5 
