高效能量俘获系统中的电路设计技术

摘要

随着集成电路技术、传感技术和通信技术的发展，无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)已广泛应用于工业、消费电子、环境监测、智能交通、军事等领域。但采用电池为WSN节点供电的传统方式具有体积大、续航能力差等缺点。近年来，通过对环境中能量的采集实现WSN节点的自供电成为了一个较为热门的解决方案。压电式振动能量俘获装置是振动能量俘获技术的一种，但其输出的交流电压无法直接应用于WSN节点供电，需在压电式振动能量俘获装置与负载之间加入能量管理电路。目前，能量管理电路在自供电和转换效率方面仍然存在不足，因此，设计低功耗、自供电的能量管理电路成为了高效能量俘获系统中的主要研究方向。
　　本文针对压电振动能量俘获装置的机电耦合等效模型，结合其电压输出特性，研究了可实现自主供电的接口电路设计方法，给出了两种电路的具体实现方案。本文的主要研究内容如下：
　　1.针对WSN节点的自供电问题，提出了一种自供电同步电荷提取电路。该电路使用两个无源的极值检测电路来检测压电元件输出电压的正负极值，并在极值点对压电元件上产生的电荷进行提取；采用整流电路、极值检测电路元件复用的方法，具有无需传统整流桥结构、且能提取极值检测电路中电容所积累的电荷的能力，实现了能量俘获系统接口电路的自供电。
　　2.对所提出的自供电同步电荷提取电路进行了优化与改进，提出了一种自供电的同步电荷提取电路的优化设计，(Self-Powered Optimized Synchronous Charge Extraction circuit,SP-OSCE)，通过减少SP-OSCE电路能量俘获过程中晶体管的数量，减小了晶体管阈值压降造成的能量损耗，有效提高了能量俘获效率。搭建了压电能量俘获系统物理实验平台对SP-OSCE电路进行了实验验证。实验结果表明，SP-OSCE电路的输出功率是标准能量俘获电路的3.03倍。与公开的技术相比，具有输出功率高、结构简单、体积小等优点。
　　3.根据WSN节点供电的实际需要，结合所设计的SP-OSCE电路的输出特性，提出了适用于SP-OSCE电路的DC-DC变换电路的初步设计。为高效能量俘获系统的设计提供技术支撑。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 本文主要内容及结构安排

2 压电式能量俘获相关的基础理论

2.1压电材料及压电效应

2.2悬臂梁式压电能量俘获结构等效模型

2.3压电式能量俘获接口电路

2.4 本章小结

3.1经典接口电路分析

3.2 自供电同步电荷提取电路的设计

3.3自供电同步电荷提取电路的优化

3.4本章小结

4.1实验平台搭建

4.2仿真分析及实验验证

4.3本章小结

6.1 工作总结

6.2 研究的局限性及工作展望

参考文献

在学研究成果

致谢