壓電振動式發(fā)電機微電源智能控制應用電路的設計

目前，隨著MEMS技術的飛速發(fā)展和各國在微系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)自動控制，植入式醫(yī)療裝置、無線網(wǎng)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(xù)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(xù)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(fā)電機為例，對系統(tǒng)電路設計進行說明。

2 壓電振動式發(fā)電機的原理和輸出特性

根據(jù)能量轉換機理的不同，振動式發(fā)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(fā)電機因具有結構簡單、能量密度大、易于微型化等優(yōu)點，成為目前微型發(fā)電機研究的熱點之一。圖1是壓電振動式懸臂梁壓電發(fā)電機的示意圖，懸臂梁、支座和質量塊三部分構成發(fā)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(huán)境的振動，懸臂梁發(fā)生變形，由于正壓電效應，從而將產(chǎn)生變化的電勢差，為負載供電。當外界環(huán)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(fā)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(fā)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(fā)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(shù)lb和m均為定值，此時發(fā)電機的輸出功率就主要由ω和加速度Y決定。振動環(huán)境的振動頻率為幾十赫茲到幾百赫茲，環(huán)境振動加速度在0.1～1 g范圍內(nèi)，因此壓電振動式發(fā)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(fā)電機產(chǎn)生的平均功率的模式。在該方案中，微電源部分由主發(fā)電機組和輔助發(fā)電機組成。主發(fā)電機組產(chǎn)生的交流信號，經(jīng)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(fā)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(tǒng)原理框圖如3所示，主要由主發(fā)電機組模塊、輔助發(fā)電機模塊、開關控制模塊、補充控制回路和MOS開關組成。