电磁式振动能采集器电源管理电路的研究.pdf

中文摘要 摘 要 振动能采集器可将环境中的振动能转换为电能，具有长寿命、无污染等优点， 是无线传感节点的一种理想电源。但由于振动能采集器的输出是交流，输出功率 较低，难以直接为无线传感节点供电，因此，开展高效的电源管理电路研究具有 重要意义。 根据课题组前期研制出的电磁式振动能采集器的特点，本文提出一种完全自 主的电源管理电路方案，建立了采集器的接口电路模型，完成了各模块电路的设 计，通过仿真和实验进行了电路元件的选取，设计并制作了电源管理电路，对电 路的性能进行了测试，并采用采集器和设计的电路全自主地驱动了一个中远距离 的无线温湿度传感节点。论文的主要工作如下： ① 分析了电磁式振动能采集器及电源管理电路的国内外研究现状，明确了不 同电路结构的适用对象，为本文设计电源管理电路提供了思路； ② 在对前期研制的基于碰撞的电磁式振动能采集器的结构和电气输出特性 进行分析的基础上，确定了完全自主的电源管理电路总体方案，采用两组线圈分 别为储能支路和开关控制支路供电，实现了自供能，用DC-DC 转换器进行阻抗匹 配，提高了采集系统对电容器充电功率； ③ 基于电磁式振动能采集器的非线性模型，构建了采集器的非线性接口电路 模型，使用MATLAB 进行了数值仿真，分析了不同激励条件下的输出性能，为后 续电路的设计提供一定的理论依据； ④ 详细分析各电路模块的功能和实现方法，选择器件的宏模型，采用电路仿 真软件(LTspice/Pspice)对各模块的功能进行仿真验证，完成了电路元件的选型，设 计了印制电路板； ⑤ 实验表明，若使用同一个电磁式振动能采集器样机来驱动一个中远距离的 无线温湿度传感节点，当基础激励频率和加速度分别为8Hz 和0.3g 时，双级功率 调理电路的充电功率是 4.8mW ，效率是 41.7% 。与标准能量采集电路相比，双级 功率调理电路的充电功率在0.3g 和0.4g 加速度下分别提高了 172%和28% 。两个 电路为节点供电时，节点间歇式工作的等待时间分别为66s 和32s，后者的等待时 间缩短了51% 。 关键词：振动能采集；电磁感应；电源管理电路；非线性；无线传感节点 I 英文摘要 Abstract The vibration energy harvester, converting the ambient vibration energy into electric energy, has the advantages of long life and non-pollution, and is an ideal power source for the wireless sensor node. However, since the output of the vibration energy harvester is low-powered alternating current, it is difficult to directly supply power to the wireless sensor node. Therefore, it is of great significance to carry out the research of efficient power management circuit. According to characteristics of electromagnetic vibration energy harvester developed by the research group in the early stage, this paper proposes a completely autonomous power management circuit scheme, and establishes the interface circuit