一种振动自供能无线传感器的电源管理电路

摘  要： 针对振动能量采集器的输出功率过低不足以直接驱动无线传感器的问题，设计了振动自供能无线传感器的电源管理电路，根据调谐和阻抗变换原理对能量采集器进行了阻抗匹配，以最大功率对储能超级电容进行充电，对能量存储和电源管理电路的充放电特性进行了理论分析和实验验证。结果表明，该电路大幅度提高了采集器的输出功率和对储能超级电容充电的效率，当0.47 F超级电容电压达到0.6 V时，能量瞬间释放电路控制超级电容瞬间放电，成功驱动最大功耗为75 mW的无线传感器工作。
关键词： 自供能；无线传感器；能量采集；电源管理；阻抗匹配
       近年来，随着无线传感器网络技术的发展，无线传感器网络技术在环境监控、医学和军事方面得到了广泛应用。在许多应用中，传感器需要嵌入到待监测目标的内部,与外部没有物理连线，例如对运行中汽车轮胎气压的监测。传统方法采用电池对无线传感器供电，但电池携带的能量有限，不能满足长期工作的需要，并且在环境恶劣或人类无法到达的场合，电池的更换非常困难，因而收集环境能量并转换为电能为无线传感器供电成为研究热点[1-2]。环境中能量采集的来源主要包括电磁场、机械振动、温度梯度等能源[3]。由于振动在环境中普遍存在，且能量密度高，所以振动能量采集是目前研究较多的一种能量采集方案。从环境中采集的电能应该经过调理来获得所需的功率，从而为电子器件提供电源，而设计能量调理电路的关键问题是阻抗匹配。GUYOMAN等人采用一种非线性处理方法来提高压电器件的输出功率，此方案无法完全实现阻抗匹配，压电器件的有效输出功率不高[4]；VELD等人设计的能量管理电路需要外加电源，无法实现完全自供能[5]。为了提高能量采集器的输出功率和实现无线传感器的振动自供能，本文设计了一种振动自供能无线传感器的电源管理电路。为振动能量采集器设计了阻抗匹配电路，采用最大功率对储能超级电容进行充电，电路提高了采集器的输出功率及对超级电容充电的效率，缩短了充电时间；同时设计了能量瞬时释放电路，在短时间内将电压为0.6 V的0.47 F超级电容内储存的能量释放，大幅度提高了放电功率, 能够驱动最大功耗为75 mW的无线传感器工作。
1 振动自供能无线传感器
     振动能量采集器受到无线传感器周围环境振动的激励时，将振动能转化为电能，采集器的电输出信号经过能量存储电路的存储和电源管理电路的调理后，为无线传感器提供电源，原理如图1所示。在无线传感器硬件系统中，温湿度传感器SHT11作为传感单元，负责监测区域内的温度和湿度信息的采集;微处理器ATmega32L作为处理单元，负责控制整个传感节点的操作，实现温湿度数据的存储、融合以及转发；通信芯片CC1100作为通信单元，负责将微处理器处理后的温湿度信息无线传输到其他温湿度传感器节点或服务器和用户。无线传感器的额定工作电压为3 V，整个工作过程用时约620 ms。其中，采集和处理信号时，工作电流为6 mA，消耗功率为18 mW，用时为615 ms；发射数据时，工作电流为25 mA，消耗功率为75 mW，用时为5 ms。
   
   2 振动能量采集器
     振动能量采集器由磁路、悬臂梁、磁电换能器等部分组成，如图2(a)所示。固定在悬臂梁前端的磁路由4个钕铁硼磁铁和2个磁轭组成，在空气隙中可形成非均匀磁场，并起质量块的作用。磁电换能器(MPM磁电换能器)由Terfenol-D/PZT/Terfenol-D构成。当采集器随环境振动时，磁路和换能器产生相对运动。由于空气隙中的磁场是非均匀的，磁电换能器将感应到变化的磁场，在变化磁场的作用下，磁致伸缩层产生机械应变，机械应变传递到压电层，产生电输出，实现机械能到电能的转换[6-7]。
   
       将采集器的输出直接与电阻联接，在0.5 g加速度激励下，谐振时采集器的负载功率和电压随负载变化曲线如图2(b)所示，采集器的最佳电阻约为3 585 k?赘，此时其最大输出功率为1 099.1 μW[7]。由图2(b)可知，能量采集器与储能超级电容的阻抗差异极大(前者为3.585 M?赘，后者仅为数欧)，若将换能器输出的信号直接整流后对超级电容充电，超级电容获得的功率将极低(只有μW量级)。因此，需通过阻抗匹配将超级电容的阻抗变换到采集器的最佳负载附近或略大于最佳负载。
3 电源管理电路
3.1 电源管理电路的基本原理
     电源管理电路由阻抗匹配电路、整流电路、储能电容、瞬时放电电路等部分组成，如图3所示。其中，超级电容Cst为储能电容，为无线传感器的工作提供能量；电解电容C0为辅助电容，为控制电路提供工作电压和能量。控制电路通过监测储能电容的电压来控制瞬时放电电路的工作。
   
       MPM磁电换能器将振动能转换为电能，阻抗匹配电路对换能器进行阻抗匹配，匹配后的两路能量输出信号再经过整流后，分别对Cst和C0进行充电。当Cst的电压达到阈值电压上限0.6 V时，瞬时放电电路开始工作，储能电容瞬间释放其存储的电能，驱动无线传感器工作。随着无线传感器的耗能，当Cst的电压降至阈值电压下限0.4 V时，放电电路结束工作，储能电容结束放电。储能电容放电一次，无线传感器完成一次发射数据，储能电容再进入下一个充电周期。
3.2 阻抗匹配电路
     根据电路原理，当负载阻抗与信号源内阻抗互为共轭复数时，负载获得最大功率，即负载与信号源达到阻抗匹配状态。由于能量采集器的等效内阻呈容性，因此需要在电路中增加一个感性器件来与之调节谐振，并通过阻抗变换来达到上述状态，从而使电源管理电路以最大功率对储能超级电容进行充电，提高电路对超级电容的充电效率，缩短充电时间。
     电源管理电路的充电等效电路如图4所示。串联谐振电路谐振频率的计算公式为:
        
   
       根据电路原理，初级回路关系式为: