一种基于无线传感器网络的生物信息检测系统节点电源设计

作者：时间：2012-02-24来源：网络收藏

2．2 基于压电材料的振动能量转换
振动源采用压电晶体，利用其压电效应实现机械振动能到电能的转换，可以利用正压电效应发电。由于压电材料产生的是低交流电压、极其微弱的电流，产生的电流是瞬间和交替的，它以不规则的随机突发形式提供能量，而且在电能提取过程中具有阻尼效应。因此需要设计压电发电电源电路，对压电发电装置产生的电能进行能量转换和存储。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/161053.htm

压电晶体充电等效电路如图3所示。L1是匹配电路的初级电感，I1是流入初级电感的电流，L2是次级电感，I2是流出次级电感的电流，M为互感，C2为次级电容，Iin是流入整流电路的电流，Vin是整流前C2两端电压，I是流入储能电容的电流，Vrest是储能电容两端点电压，Cst为总储能电容，由于Cst的值远远大于C2，因此Vrest在每个充电周期里是固定不变的。从能量源的角度出发，压电材料等效为交流电流源，Ip和等效电容Cp并联。
2．3 能量转换电路设计
通常使用的电源电压是直流电，而压电振子输出的是一种交流电，不能直接作为供电电源，这就需要设计相关的整流滤波电路，将压电材料振动产生的交流电压变为脉动的直流电压，经滤波得到平滑的直流电压。

本系统采用能量利用效率较高的桥式全波整流电路，如图4所示。D3～D6构成桥式整流电路，4个二极管轮流工作，Vac正半周时，D4和D6导通；Vac负半周时，D3和D5导通。当I2对C2(图3)进行充电时，C2两端电压上升，C2两端电压升高到Vrest时，整流二极管导通，C2两端电压被钳位到Vrest，I2通过整流二极管对Cst进行充电；当整流二极管均截止时，C2对前端进行放电。但此时输出的电压是脉动的，含有较大的纹波，必须通过滤波加以消除，才能得到平滑的直流电压。该电路中采用470μF电容进行滤波，保证电路中电压和电流的稳定。当输出电压在一定范围内变化时，该电路具有很好的稳压性能。
2．4 储能电路设计
超级电容作为一种新型的电力储能元件，既具有静电电容器的高放电功率优势，又像电池一样具有较大的电荷储存能力。同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、免维护等优点。
本系统采用SU2400P-0027V-1RS超级电容设计了储能模块，其额定容量为300 F，额定电压为2．7 V，具有较高的功率比、能量比和较低的等效串联电阻，其工作原理如图5所示。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，形成双电荷分布层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态(通常为3 V以下)，如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路释放，电解液界面上的电荷响应将减少。由此可以看出，超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的，与利用化学反应的可充电电池是不同的。