壓電振動式發電機微電源智能控制應用電路的設計

　1 引 言

　　目前，隨著MEMS技術的飛速發展和各國在微系統領域投資力度的加大，各種形式的微能源層出不窮。在不同的微器件和微系統中，如何充分合理地利用這些微能源為負載供應能量是亟待解決的問題之一，比如在工業自動控制，植入式醫療裝置、無線網絡傳感器等領域，人為地定時換能加電，不僅浪費財力和物力，同時也造成病人的痛苦和設備的損耗。本文針對微能源輸出功率極小但連續的特點，設計出一直新型的微功耗功智能電源管理控制電路，以把連續微量的電能加以儲藏，在使用時再以較大功率間歇性輸出以達到適用的目的。該文以壓電振動式發電機為例，對系統電路設計進行說明。

　　2 壓電振動式發電機的原理和輸出特性

　　根據能量轉換機理的不同，振動式發電機可以分成壓電式、電磁式和靜電式3類。其中壓電振動式發電機因具有結構簡單、能量密度大、易于微型化等優點，成為目前微型發電機研究的熱點之一。圖1是壓電振動式懸臂梁壓電發電機的示意圖，懸臂梁、支座和質量塊三部分構成發電機的主架結構。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。隨著環境的振動，懸臂梁發生變形，由于正壓電效應，從而將產生變化的電勢差，為負載供電。當外界環境振動頻率和懸臂梁固有頻率相同時，將引起懸臂梁的共振，壓電層應力和應變的變化最大，從而使發電機輸出電壓的變化達到最大，其雙自由度模型如圖2所示。

　　在上式中取ω=ω1，可得到共振時的發電機輸出電壓。

　　3 微功耗智能電源管理控制電路的設計

　　由式(5)可知，其壓電振動式發電機輸出功率主要由懸臂梁長度lb，質量塊的質量m，加速度Y和振動頻率ω決定。在實際應用中，其參數lb和m均為定值，此時發電機的輸出功率就主要由ω和加速度Y決定。振動環境的振動頻率為幾十赫茲到幾百赫茲，環境振動加速度在0.1～1 g范圍內，因此壓電振動式發電機的輸出功率一般在十幾微瓦到幾百微瓦之間。

　　本文主要針對外接負載功耗大于壓電振動式發電機產生的平均功率的模式。在該方案中，微電源部分由主發電機組和輔助發電機組成。主發電機組產生的交流信號，經過整流濾波電路和儲能器后，通過電源控制電路給負載供電；輔助發電機用于對所有控制電路芯片供電，并實時把多余的電量補充到主回路中去。其電源管理控制電路系統原理框圖如3所示，主要由主發電機組模塊、輔助發電機模塊、開關控制模塊、補充控制回路和MOS開關組成。

　　電路所具有的特性：當儲能器件的輸出功率達不能滿足負載功耗要求時MOS開關斷開，儲能器件處于完全儲能狀態，其漏電流為nA級，幾乎為無泄漏式儲能；當能量足以維持負載啟動工作時，開關接通并提供一定時間的大功率輸出。在開關打開時，輔助發電機除少量能量供給控制電路外，多出能量實時補充到儲能元件上，在進一步提高輸出功率的同時，也提高了能量的利用率。工作一段時間后，當發電量不足以維持負載最低功耗要求時，主回路MOS開關自動斷開重新開始蓄積能量到下一次開啟工作。該設計系統有效解決了負載如無線發射模塊啟動時，需要維持5～6 s 20 mA左右工作的大電流或間歇式發射所需毫安級電流與微型發電機微功率輸出不足以使負載啟動的矛盾。

　　為避免因相位的差異而損耗能量，多路發電機之間采用線性級聯疊加的方案對儲能器件充電。根據負載功耗的大小和主發電機輸出功率的特點適當選擇主發電機組的路數為儲能器件供電。主發電機組產生的交流電經濾波整流后供給儲能器件——超級電容器。一般電容的重復使用次數多，但能量密度小，電能的存儲時間短；二次蓄電池的能量密度很高，但使用壽命太短；而超級電容比一般的常規電容容量大20～200倍的獨特電容，使用壽命大大延長，且具有優良的脈沖充電性能及傳統電容器所不具備的大容量存儲性能。該設計在提高儲能器件充電速度的同時；能夠實時補充負載間隔發射所損耗的能量。如使用無線發射網絡檢測機器的振動，無線網絡發射模塊每發射1次電壓下降大約10～15 mV，在正常情況下，每分鐘發射1次。若發電機能夠在這1 mm之內為儲能器件提供不低于15 mV的充電電壓，就能夠維持該網絡的持續運行。每次發射所損耗的電能將有發電機實時補充。

　　輔助發電機模塊除給系統芯片功能外，還可在系統芯片穩定后通過補充回路向儲能器件提供最大650 mA的實時補充電流，從而使由于負載在瞬間消耗掉能量而幅度大跌的儲能器件的幅值得以很快的回升，其補充控制回路如圖4所示。

　在補償的過程中，整個輔助回路一直處于正常工作狀態，負載工作時，輔助發電機多出的功率實時補充到超級電容上進一步提高輸出功率。

　　開關控制模塊及MOS開關電路構成了整個控制電路的核心，如圖5所示。

　　選用Maxim公司的ICL76系列雙過壓／欠壓監測芯片。開關控制模塊利用芯片里面的遲滯比較器，一方面監測超級電容兩端的電壓，另一方面作為輔助補充能量控制電路的控制信號，為保證系統工作的穩定性，采用負邏輯的鏈接形式。開啟的上限閾值電壓VU和關閉的下限閾值電壓VL可根據負載工作條件自行設定。當儲能器件的輸出能滿足負載需求即當主儲能器的電壓逐漸增大而小于比較器設定的上限閾值時，遲滯比較器輸出高電平，通過開關控制電路控制MOS開關關斷；當主儲能器的電壓達到上限閾值電平VU時，遲滯比較器輸出低電平，通過開關控制電路控制電子開關接通；大功耗的負載會使儲能器件的電壓逐漸下降，只要沒有下降到遲滯比較器設定的下限閾值VL時，遲滯比較器依然輸出低電平，通過開關控制電路維持MOS開關的接通；一旦儲能器件的電壓下降到遲滯比較器設定的下限閾值VL時，遲滯比較器輸出高電平，通過開關控制電路控制MOS開關關斷。與此同時，在遲滯比較器輸出為高電平時，輔助補充能量控制電路處于關斷狀態，輔發電機經整流濾波后的直流輸出不對儲能器件補充充電；在比較器輸出為低高電平時，輔助補充能量控制電路接通，輔發電機經整流濾波后的直流輸出直流電 壓對儲能器件進行用的要求，提出一種超低功耗的電源管理控制系統，主要有行充電。圖4和圖5分別為系統的子模塊電路。

　　4 結 語

　　本文主要針對微電源如壓電振動式發電機，非接觸式電磁感應微型發電機等輸出功率較小，一般不超過1 mw，但間隔性輸出負載如汽車胎壓監測系統TPMS的發射模塊、機器故障振動監測無線傳感器網絡的發射模塊等對能源的輸出功率和瞬時電流要求都比較大，其電壓幅值范圍在2.0～4.50 V之間，瞬時電流不大于30mA的情況下，一般的整流、濾波和儲能電路能滿足實際應用的要求，提出了一種超低功耗的電源管理控制系統。主要由主發電機組、輔助發電機、整流濾波電路、MOS開關電路、能量存儲電路、能量補充回路和控制電路構成，其靜態工作電流為不大于12μA，能量損耗不大于40μw，輸入開關電阻12～18 Ω。對于峰值不大于50 V的微電源可有效的控制使用。經過反復實驗證明，對于當今高新技術發展的迫切需求和MEMS技術的重要研究方向之一的微電源的合理而充分的利用，有著廣闊的應用前景和適用價值。