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)

摘 要：針對(duì)壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī)、微型電磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)、駐極體發(fā)電機(jī)等微型發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率較小，常規(guī)的整流濾波、存儲(chǔ)、穩(wěn)壓電路不能滿足瞬時(shí)發(fā)射功率較大的負(fù)載供電需求問(wèn)題，提出一種微功耗的電源智能管理電路的設(shè)計(jì)方案，從而使持續(xù)的微能源得以合理而有效的利用。其主要由整流濾波電路、MOS開(kāi)關(guān)及控制電路、存能電路、輔助能量補(bǔ)充回路和主控制電路等構(gòu)成。這里以該電路在壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī)的應(yīng)用為例。實(shí)驗(yàn)證明該電路自身的功耗只有40 μw以下，能較好地滿足微功耗電子器件、傳感器或間歇式較大功耗無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)供電的要求。

關(guān)鍵詞：壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī);超級(jí)電容;MOS開(kāi)關(guān);雙向遲滯比較器

中圖分類號(hào)：TN15文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2008)2003203

Design of the Smart Control Circuit Based on Vibration-based Piezoelectric Generator

SHANG Zhengguo1，2，WEN Zhiyu1，2，HE Xuefeng1，2

(1.Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems of the Education Ministry of China，Chongqing University，Chongqing，400044，China；

2.Microsystem Research Center，Chongqing University，Chongqing，400044，China)

Abstract：Ｔhe mini-generators like vibration generator-based piezoelectric，mini- electromagnetism effect generator，electret generator and so on have low power，it is difficult to supply the load with high instantaneous power consumption in the way of the current rectifier，filter and storage capacitor control circuit.To solve the problem，the control circuit of low power consumption is contrived to manage the energy of mini-generators effectively，so the sustaining and low energy can be used effectively and rationally.The circuit contains the filter circuit，MOS switch，energy storage and supplement circuit and key control circuit.Taking vibration-based piezoelectric generator as an example，the design and application of the control circuit is presented in this paper.The experimental results show that only no more than 40 μw is consumed by the circui.It can be used to supply energy to low-power electronic device，sensors and wireless sensors network with high instantaneous power consumption desultorily.

Keywords：vibration generator-based piezoelectric;super-polarized capacitor;MOS- switch;hysteresis comparator of the two voltage detectors

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^［1，2］。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^［3，4］。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^［5，6］如圖2所示。

圖1 壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 雙自由度壓電振動(dòng)式發(fā)電機(jī)模型

懸臂梁軸向?yàn)閤方向；基礎(chǔ)加速度為(t)；質(zhì)量塊質(zhì)心撓度為z(t)；ε和d31分別為壓電材料的節(jié)點(diǎn)常數(shù)和壓電常數(shù)；Cp為壓電發(fā)電機(jī)的電容；k31=d31YCε為壓電材料的壓電耦合系數(shù)，上、下壓電層的厚度均為tC，中間金屬層厚度為tsh，懸臂梁寬度為w，懸臂梁上壓電層的平均應(yīng)力為：

σ=m/b**1+m/b**2（1）

其中:

b**1=2Ib(2lb+lm－le)，

b**2=2Ib(2lb+lm－le+2Immq)（2）

撓度z與壓電層平均應(yīng)變?chǔ)闹g有以下關(guān)系：

z=δ/b*（3）

其中 ：

b*=3bl2b(2lb+lm－le)(2lb+1.5lm)（4）

在電阻R負(fù)載作用下，最大輸出電壓為：

V=－jω2YCd31tcb*b**2aεb**1Ain－YCb*b**2mRCp－1RCp+2ξω1ω2+jωYCb*b**2m(1+k2)+2ξω1RCp－ω2（5）

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 s20 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。

圖3 智能電源管理控制電路系統(tǒng)原理框圖

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^［7］。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。

圖4 補(bǔ)充控制器回路模塊

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。

圖5 MOS開(kāi)關(guān)及控制電路模塊

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^［8］，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)^［9］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30 mA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12 μA，能量損耗不大于40 μw，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。

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作者簡(jiǎn)介 尚正國(guó) 重慶大學(xué)微系統(tǒng)研究中心碩士研究生。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文