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)

目前，隨著MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展和各國在微系統(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題之一，比如在工業(yè)自動(dòng)控制，植入式醫(yī)療裝置、無線網(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。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。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，其雙自由度模型如圖2所示。

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)過整流濾波電路和儲(chǔ)能器后，通過電源控制電路給負(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、開關(guān)控制模塊、補(bǔ)充控制回路和MOS開關(guān)組成。