压电振动式发电机微电源智能控制应用电路的设计

目前，随着MEMS技术的飞速发展和各国在微系统领域投资力度的加大，各种形式的微能源层出不穷。在不同的微器件和微系统中，如何充分合理地利用这些微能源为负载供应能量是亟待解决的问题之一，比如在工业自动控制，植入式医疗装置、无线网络传感器等领域，人为地定时换能加电，不仅浪费财力和物力，同时也造成病人的痛苦和设备的损耗。本文针对微能源输出功率极小但连续的特点，设计出一直新型的微功耗功智能电源管理控制电路，以把连续微量的电能加以储藏，在使用时再以较大功率间歇性输出以达到适用的目的。该文以压电振动式发电机为例，对系统电路设计进行说明。

2 压电振动式发电机的原理和输出特性

根据能量转换机理的不同，振动式发电机可以分成压电式、电磁式和静电式3类。其中压电振动式发电机因具有结构简单、能量密度大、易于微型化等优点，成为目前微型发电机研究的热点之一。图1是压电振动式悬臂梁压电发电机的示意图，悬臂梁、支座和质量块三部分构成发电机的主架结构。中间层金属层为上下压电材料压电层的公共电极，在上压电层的顶部和下压电层的底部有作为引出电极的金属薄膜PZT。质量块位于悬臂梁的自由端，悬臂梁的另一端固定在支座上。随着环境的振动，悬臂梁发生变形，由于正压电效应，从而将产生变化的电势差，为负载供电。当外界环境振动频率和悬臂梁固有频率相同时，将引起悬臂梁的共振，压电层应力和应变的变化最大，从而使发电机输出电压的变化达到最大，其双自由度模型如图2所示。

在上式中取ω=ω1，可得到共振时的发电机输出电压。

3 微功耗智能电源管理控制电路的设计

由式(5)可知，其压电振动式发电机输出功率主要由悬臂梁长度lb，质量块的质量m，加速度Y和振动频率ω决定。在实际应用中，其参数lb和m均为定值，此时发电机的输出功率就主要由ω和加速度Y决定。振动环境的振动频率为几十赫兹到几百赫兹，环境振动加速度在0.1～1 g范围内，因此压电振动式发电机的输出功率一般在十几微瓦到几百微瓦之间。

本文主要针对外接负载功耗大于压电振动式发电机产生的平均功率的模式。在该方案中，微电源部分由主发电机组和辅助发电机组成。主发电机组产生的交流信号，经过整流滤波电路和储能器后，通过电源控制电路给负载供电；辅助发电机用于对所有控制电路芯片供电，并实时把多余的电量补充到主回路中去。其电源管理控制电路系统原理框图如3所示，主要由主发电机组模块、辅助发电机模块、开关控制模块、补充控制回路和MOS开关组成。