1 引 言
目前,隨著MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展和各國在微系統(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題之一,,比如在工業(yè)自動(dòng)控制,,植入式醫(yī)療裝置、無線網(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)過整流濾波電路和儲(chǔ)能器后,,通過電源控制電路給負(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,、開關(guān)控制模塊、補(bǔ)充控制回路和MOS開關(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開關(guān)斷開,,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),開關(guān)接通并提供一定時(shí)間的大功率輸出,。在開關(guān)打開時(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開關(guān)自動(dòng)斷開重新開始蓄積能量到下一次開啟工作。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)有效解決了負(fù)載如無線發(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,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。如使用無線發(fā)射網(wǎng)絡(luò)檢測機(jī)器的振動(dòng),,無線網(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^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。
開關(guān)控制模塊及MOS開關(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系列雙過壓/欠壓監(jiān)測芯片。開關(guān)控制模塊利用芯片里面的遲滯比較器,,一方面監(jiān)測超級(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,,通過開關(guān)控制電路控制MOS開關(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,,通過開關(guān)控制電路控制電子開關(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,通過開關(guān)控制電路維持MOS開關(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,,通過開關(guān)控制電路控制MOS開關(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
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1 mw,,但間隔性輸出負(fù)載如汽車胎壓監(jiān)測系統(tǒng)TPMS的發(fā)射模塊、機(jī)器故障振動(dòng)監(jiān)測無線傳感器網(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,。