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(cè)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(cè)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(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(cè)系統(tǒng)TPMS的發(fā)射模塊,、機(jī)器故障振動(dòng)監(jiān)測(cè)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,。