壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī)微電源智能控制應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)

1 引 言

目前，隨著MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展和各國(guó)在微系統(tǒng)領(lǐng)域投資力度的加大，各種形式的微能源層出不窮。在不同的微器件和微系統(tǒng)中，如何充分合理地利用這些微能源為負(fù)載供應(yīng)能量是亟待解決的問(wèn)題之一，比如在工業(yè)自動(dòng)控制，植入式醫(yī)療裝置、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器等領(lǐng)域，人為地定時(shí)換能加電，不僅浪費(fèi)財(cái)力和物力，同時(shí)也造成病人的痛苦和設(shè)備的損耗。本文針對(duì)微能源輸出功率極小但連續(xù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一直新型的微功耗功智能電源管理控制電路，以把連續(xù)微量的電能加以儲(chǔ)藏，在使用時(shí)再以較大功率間歇性輸出以達(dá)到適用的目的。該文以壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī)為例，對(duì)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

2 壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī)的原理和輸出特性

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換機(jī)理的不同，振動(dòng)式發(fā)電機(jī)可以分成壓電式、電磁式和靜電式3類。其中壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度大、易于微型化等優(yōu)點(diǎn)，成為目前微型發(fā)電機(jī)研究的熱點(diǎn)之一。圖1是壓電振動(dòng)式懸臂梁壓電發(fā)電機(jī)的示意圖，懸臂梁、支座和質(zhì)量塊三部分構(gòu)成發(fā)電機(jī)的主架結(jié)構(gòu)。中間層金屬層為上下壓電材料壓電層的公共電極，在上壓電層的頂部和下壓電層的底部有作為引出電極的金屬薄膜PZT。質(zhì)量塊位于懸臂梁的自由端，懸臂梁的另一端固定在支座上。隨著環(huán)境的振動(dòng)，懸臂梁發(fā)生變形，由于正壓電效應(yīng)，從而將產(chǎn)生變化的電勢(shì)差，為負(fù)載供電。當(dāng)外界環(huán)境振動(dòng)頻率和懸臂梁固有頻率相同時(shí)，將引起懸臂梁的共振，壓電層應(yīng)力和應(yīng)變的變化最大，從而使發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化達(dá)到最大，其雙自由度模型如圖2所示。





在上式中取ω=ω1，可得到共振時(shí)的發(fā)電機(jī)輸出電壓。

3 微功耗智能電源管理控制電路的設(shè)計(jì)

由式(5)可知，其壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī)輸出功率主要由懸臂梁長(zhǎng)度lb，質(zhì)量塊的質(zhì)量m，加速度Y和振動(dòng)頻率ω決定。在實(shí)際應(yīng)用中，其參數(shù)lb和m均為定值，此時(shí)發(fā)電機(jī)的輸出功率就主要由ω和加速度Y決定。振動(dòng)環(huán)境的振動(dòng)頻率為幾十赫茲到幾百赫茲，環(huán)境振動(dòng)加速度在0.1～1 g范圍內(nèi)，因此壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī)的輸出功率一般在十幾微瓦到幾百微瓦之間。

本文主要針對(duì)外接負(fù)載功耗大于壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的平均功率的模式。在該方案中，微電源部分由主發(fā)電機(jī)組和輔助發(fā)電機(jī)組成。主發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)整流濾波電路和儲(chǔ)能器后，通過(guò)電源控制電路給負(fù)載供電；輔助發(fā)電機(jī)用于對(duì)所有控制電路芯片供電，并實(shí)時(shí)把多余的電量補(bǔ)充到主回路中去。其電源管理控制電路系統(tǒng)原理框圖如3所示，主要由主發(fā)電機(jī)組模塊、輔助發(fā)電機(jī)模塊、開(kāi)關(guān)控制模塊、補(bǔ)充控制回路和MOS開(kāi)關(guān)組成。


電路所具有的特性：當(dāng)儲(chǔ)能器件的輸出功率達(dá)不能滿足負(fù)載功耗要求時(shí)MOS開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，儲(chǔ)能器件處于完全儲(chǔ)能狀態(tài)，其漏電流為nA級(jí)，幾乎為無(wú)泄漏式儲(chǔ)能；當(dāng)能量足以維持負(fù)載啟動(dòng)工作時(shí)，開(kāi)關(guān)接通并提供一定時(shí)間的大功率輸出。在開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，輔助發(fā)電機(jī)除少量能量供給控制電路外，多出能量實(shí)時(shí)補(bǔ)充到儲(chǔ)能元件上，在進(jìn)一步提高輸出功率的同時(shí)，也提高了能量的利用率。工作一段時(shí)間后，當(dāng)發(fā)電量不足以維持負(fù)載最低功耗要求時(shí)，主回路MOS開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)重新開(kāi)始蓄積能量到下一次開(kāi)啟工作。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)有效解決了負(fù)載如無(wú)線發(fā)射模塊啟動(dòng)時(shí)，需要維持5～6 s 20 mA左右工作的大電流或間歇式發(fā)射所需毫安級(jí)電流與微型發(fā)電機(jī)微功率輸出不足以使負(fù)載啟動(dòng)的矛盾。

為避免因相位的差異而損耗能量，多路發(fā)電機(jī)之間采用線性級(jí)聯(lián)疊加的方案對(duì)儲(chǔ)能器件充電。根據(jù)負(fù)載功耗的大小和主發(fā)電機(jī)輸出功率的特點(diǎn)適當(dāng)選擇主發(fā)電機(jī)組的路數(shù)為儲(chǔ)能器件供電。主發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的交流電經(jīng)濾波整流后供給儲(chǔ)能器件——超級(jí)電容器。一般電容的重復(fù)使用次數(shù)多，但能量密度小，電能的存儲(chǔ)時(shí)間短；二次蓄電池的能量密度很高，但使用壽命太短；而超級(jí)電容比一般的常規(guī)電容容量大20～200倍的獨(dú)特電容，使用壽命大大延長(zhǎng)，且具有優(yōu)良的脈沖充電性能及傳統(tǒng)電容器所不具備的大容量存儲(chǔ)性能。該設(shè)計(jì)在提高儲(chǔ)能器件充電速度的同時(shí)；能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)充負(fù)載間隔發(fā)射所損耗的能量。如使用無(wú)線發(fā)射網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)機(jī)器的振動(dòng)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射模塊每發(fā)射1次電壓下降大約10～15 mV，在正常情況下，每分鐘發(fā)射1次。若發(fā)電機(jī)能夠在這1 mm之內(nèi)為儲(chǔ)能器件提供不低于15 mV的充電電壓，就能夠維持該網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)運(yùn)行。每次發(fā)射所損耗的電能將有發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)充。

輔助發(fā)電機(jī)模塊除給系統(tǒng)芯片功能外，還可在系統(tǒng)芯片穩(wěn)定后通過(guò)補(bǔ)充回路向儲(chǔ)能器件提供最大650 mA的實(shí)時(shí)補(bǔ)充電流，從而使由于負(fù)載在瞬間消耗掉能量而幅度大跌的儲(chǔ)能器件的幅值得以很快的回升，其補(bǔ)充控制回路如圖4所示。


在補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，整個(gè)輔助回路一直處于正常工作狀態(tài)，負(fù)載工作時(shí)，輔助發(fā)電機(jī)多出的功率實(shí)時(shí)補(bǔ)充到超級(jí)電容上進(jìn)一步提高輸出功率。

開(kāi)關(guān)控制模塊及MOS開(kāi)關(guān)電路構(gòu)成了整個(gè)控制電路的核心，如圖5所示。


選用Maxim公司的ICL76系列雙過(guò)壓／欠壓監(jiān)測(cè)芯片。開(kāi)關(guān)控制模塊利用芯片里面的遲滯比較器，一方面監(jiān)測(cè)超級(jí)電容兩端的電壓，另一方面作為輔助補(bǔ)充能量控制電路的控制信號(hào)，為保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，采用負(fù)邏輯的鏈接形式。開(kāi)啟的上限閾值電壓VU和關(guān)閉的下限閾值電壓VL可根據(jù)負(fù)載工作條件自行設(shè)定。當(dāng)儲(chǔ)能器件的輸出能滿足負(fù)載需求即當(dāng)主儲(chǔ)能器的電壓逐漸增大而小于比較器設(shè)定的上限閾值時(shí)，遲滯比較器輸出高電平，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電路控制MOS開(kāi)關(guān)關(guān)斷；當(dāng)主儲(chǔ)能器的電壓達(dá)到上限閾值電平VU時(shí)，遲滯比較器輸出低電平，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電路控制電子開(kāi)關(guān)接通；大功耗的負(fù)載會(huì)使儲(chǔ)能器件的電壓逐漸下降，只要沒(méi)有下降到遲滯比較器設(shè)定的下限閾值VL時(shí)，遲滯比較器依然輸出低電平，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電路維持MOS開(kāi)關(guān)的接通；一旦儲(chǔ)能器件的電壓下降到遲滯比較器設(shè)定的下限閾值VL時(shí)，遲滯比較器輸出高電平，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電路控制MOS開(kāi)關(guān)關(guān)斷。與此同時(shí)，在遲滯比較器輸出為高電平時(shí)，輔助補(bǔ)充能量控制電路處于關(guān)斷狀態(tài)，輔發(fā)電機(jī)經(jīng)整流濾波后的直流輸出不對(duì)儲(chǔ)能器件補(bǔ)充充電；在比較器輸出為低高電平時(shí)，輔助補(bǔ)充能量控制電路接通，輔發(fā)電機(jī)經(jīng)整流濾波后的直流輸出直流電 壓對(duì)儲(chǔ)能器件進(jìn)行用的要求，提出一種超低功耗的電源管理控制系統(tǒng)，主要有行充電。圖4和圖5分別為系統(tǒng)的子模塊電路。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要針對(duì)微電源如壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī)，非接觸式電磁感應(yīng)微型發(fā)電機(jī)等輸出功率較小，一般不超過(guò)1 mw，但間隔性輸出負(fù)載如汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TPMS的發(fā)射模塊、機(jī)器故障振動(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射模塊等對(duì)能源的輸出功率和瞬時(shí)電流要求都比較大，其電壓幅值范圍在2.0～4.50 V之間，瞬時(shí)電流不大于30mA的情況下，一般的整流、濾波和儲(chǔ)能電路能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，提出了一種超低功耗的電源管理控制系統(tǒng)。主要由主發(fā)電機(jī)組、輔助發(fā)電機(jī)、整流濾波電路、MOS開(kāi)關(guān)電路、能量存儲(chǔ)電路、能量補(bǔ)充回路和控制電路構(gòu)成，其靜態(tài)工作電流為不大于12μA，能量損耗不大于40μw，輸入開(kāi)關(guān)電阻12～18 Ω。對(duì)于峰值不大于50 V的微電源可有效的控制使用。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于當(dāng)今高新技術(shù)發(fā)展的迫切需求和MEMS技術(shù)的重要研究方向之一的微電源的合理而充分的利用，有著廣闊的應(yīng)用前景和適用價(jià)值。

發(fā)布者：博子