壓電振動(dòng)式發(fā)電機微電源智能控制應用電路的設計

目前，隨著(zhù)MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展和各國在微系統領(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(wèn)題之一，比如在工業(yè)自動(dòng)控制，植入式醫療裝置、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳感器等領(lǐng)域，人為地定時(shí)換能加電，不僅浪費財力和物力，同時(shí)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(diǎn)，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?xún)Σ?，在使用時(shí)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(dòng)式發(fā)電機為例，對系統電路設計進(jìn)行說(shuō)明。

2 壓電振動(dòng)式發(fā)電機的原理和輸出特性

根據能量轉換機理的不同，振動(dòng)式發(fā)電機可以分成壓電式、電磁式和靜電式3類(lèi)。其中壓電振動(dòng)式發(fā)電機因具有結構簡(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)電機的示意圖，懸臂梁、支座和質(zhì)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(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(zhù)環(huán)境的振動(dòng)，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(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(shí)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(dòng)式發(fā)電機輸出功率主要由懸臂梁長(cháng)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)際應用中，其參數lb和m均為定值，此時(shí)發(fā)電機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，因此壓電振動(dòng)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(dòng)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(guò)整流濾波電路和儲能器后，通過(guò)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(shí)時(shí)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(fā)電機組模塊、輔助發(fā)電機模塊、開(kāi)關(guān)控制模塊、補充控制回路和MOS開(kāi)關(guān)組成。