壓電振動(dòng)式發(fā)電機微電源智能控制應用電路的設計

電路所具有的特性：當儲能器件的輸出功率達不能滿(mǎn)足負載功耗要求時(shí)MOS開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，儲能器件處于完全儲能狀態(tài)，其漏電流為nA級，幾乎為無(wú)泄漏式儲能；當能量足以維持負載啟動(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)電機除少量能量供給控制電路外，多出能量實(shí)時(shí)補充到儲能元件上，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，當發(fā)電量不足以維持負載最低功耗要求時(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。該設計系統有效解決了負載如無(wú)線(xiàn)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)射所需毫安級電流與微型發(fā)電機微功率輸出不足以使負載啟動(dòng)的矛盾。

為避免因相位的差異而損耗能量，多路發(fā)電機之間采用線(xiàn)性級聯(lián)疊加的方案對儲能器件充電。根據負載功耗的大小和主發(fā)電機輸出功率的特點(diǎn)適當選擇主發(fā)電機組的路數為儲能器件供電。主發(fā)電機組產(chǎn)生的交流電經(jīng)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(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(cháng)，且具有優(yōu)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(shí)；能夠實(shí)時(shí)補充負載間隔發(fā)射所損耗的能量。如使用無(wú)線(xiàn)發(fā)射網(wǎng)絡(luò )檢測機器的振動(dòng)，無(wú)線(xiàn)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(wǎng)絡(luò )的持續運行。每次發(fā)射所損耗的電能將有發(fā)電機實(shí)時(shí)補充。

輔助發(fā)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(guò)補充回路向儲能器件提供最大650 mA的實(shí)時(shí)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(guò)程中，整個(gè)輔助回路一直處于正常工作狀態(tài)，負載工作時(shí)，輔助發(fā)電機多出的功率實(shí)時(shí)補充到超級電容上進(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(guò)壓／欠壓監測芯片。開(kāi)關(guān)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(kāi)啟的上限閾值電壓VU和關(guān)閉的下限閾值電壓VL可根據負載工作條件自行設定。當儲能器件的輸出能滿(mǎn)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(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；當主儲能器的電壓達到上限閾值電平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；大功耗的負載會(huì )使儲能器件的電壓逐漸下降，只要沒(méi)有下降到遲滯比較器設定的下限閾值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；一旦儲能器件的電壓下降到遲滯比較器設定的下限閾值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)，輔助補充能量控制電路處于關(guān)斷狀態(tài)，輔發(fā)電機經(jīng)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(shí)，輔助補充能量控制電路接通，輔發(fā)電機經(jīng)整流濾波后的直流輸出直流電 壓對儲能器件進(jìn)行用的要求，提出一種超低功耗的電源管理控制系統，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(yǔ)

本文主要針對微電源如壓電振動(dòng)式發(fā)電機，非接觸式電磁感應微型發(fā)電機等輸出功率較小，一般不超過(guò)1 mw，但間隔性輸出負載如汽車(chē)胎壓監測系統TPMS的發(fā)射模塊、機器故障振動(dòng)監測無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)射模塊等對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、濾波和儲能電路能滿(mǎn)足實(shí)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(fā)電機組、輔助發(fā)電機、整流濾波電路、MOS開(kāi)關(guān)電路、能量存儲電路、能量補充回路和控制電路構成，其靜態(tài)工作電流為不大于12μA，能量損耗不大于40μw，輸入開(kāi)關(guān)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(jīng)過(guò)反復實(shí)驗證明，對于當今高新技術(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(zhù)廣闊的應用前景和適用價(jià)值。