高效能量俘獲系統(tǒng)中的電路設(shè)計(jì)技術(shù).pdf

1、隨著集成電路技術(shù)、傳感技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network,WSN)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、消費(fèi)電子、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能交通、軍事等領(lǐng)域。但采用電池為WSN節(jié)點(diǎn)供電的傳統(tǒng)方式具有體積大、續(xù)航能力差等缺點(diǎn)。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)環(huán)境中能量的采集實(shí)現(xiàn)WSN節(jié)點(diǎn)的自供電成為了一個(gè)較為熱門(mén)的解決方案。壓電式振動(dòng)能量俘獲裝置是振動(dòng)能量俘獲技術(shù)的一種，但其輸出的交流電壓無(wú)法直接應(yīng)用于WSN節(jié)點(diǎn)供電，需在壓電式振動(dòng)能量俘

2、獲裝置與負(fù)載之間加入能量管理電路。目前，能量管理電路在自供電和轉(zhuǎn)換效率方面仍然存在不足，因此，設(shè)計(jì)低功耗、自供電的能量管理電路成為了高效能量俘獲系統(tǒng)中的主要研究方向。
　　本文針對(duì)壓電振動(dòng)能量俘獲裝置的機(jī)電耦合等效模型，結(jié)合其電壓輸出特性，研究了可實(shí)現(xiàn)自主供電的接口電路設(shè)計(jì)方法，給出了兩種電路的具體實(shí)現(xiàn)方案。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.針對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)的自供電問(wèn)題，提出了一種自供電同步電荷提取電路。該電路使用兩個(gè)無(wú)源的極

3、值檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)壓電元件輸出電壓的正負(fù)極值，并在極值點(diǎn)對(duì)壓電元件上產(chǎn)生的電荷進(jìn)行提??；采用整流電路、極值檢測(cè)電路元件復(fù)用的方法，具有無(wú)需傳統(tǒng)整流橋結(jié)構(gòu)、且能提取極值檢測(cè)電路中電容所積累的電荷的能力，實(shí)現(xiàn)了能量俘獲系統(tǒng)接口電路的自供電。
　　2.對(duì)所提出的自供電同步電荷提取電路進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)，提出了一種自供電的同步電荷提取電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，(Self-Powered Optimized Synchronous Charge Extr

4、action circuit,SP-OSCE)，通過(guò)減少SP-OSCE電路能量俘獲過(guò)程中晶體管的數(shù)量，減小了晶體管閾值壓降造成的能量損耗，有效提高了能量俘獲效率。搭建了壓電能量俘獲系統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)SP-OSCE電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SP-OSCE電路的輸出功率是標(biāo)準(zhǔn)能量俘獲電路的3.03倍。與公開(kāi)的技術(shù)相比，具有輸出功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。
　　3.根據(jù)WSN節(jié)點(diǎn)供電的實(shí)際需要，結(jié)合所設(shè)計(jì)的SP-OSCE電路