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微型电源管理电路研究背景及国内外研究现状 1 研究背景 1 2 国内外研究现状 1 2.1 微能源的研究现状 1 2.2 电源管理电路研究现状 3 1 研究背景 目前的无线传感网络、远程自治微系统等都带有供能部分，这些供能大部分是化学电池(比如锂离子电池)或者太阳能电池等。化学电池存在寿命问题，大约在1-2年，甚至更短，而对于系统的其他器件来说，其寿命远远不止如此，一个自MEMS系统的使用寿,还要由目前电子电路仍广泛使用的3.3V稳定电压2 国内外研究现状 2.1 微能源的研究现状 微能源具有体积小,重量轻等特点,是军民两用高新技术发展的迫切需求,已成为近年来MEMS领域的一个重要发展方向。,包括微型燃料电池、微,微型化学电,而微型燃料电池(PEMFC)以其能量效率高和清洁无污染的特点更,这在某些应用场合,例如植入和分布式系,是难以解决或者不可能实现的。,近,在无,这种微型发电机具有巨大的应用前景利用电磁感应原理，永磁铁在外界的振动激励下产生与线圈的相对运动，这种运动改变了平面线圈中的磁通量，从而在平面线圈中产生感应电动势，将机械能转换为电能利用在振动环境中，质量块带动梁及压电薄膜一起振动，其变形使得压电薄膜上下表面产生电荷，从而在上下两个电极之间产生电势差的原理来发电。2008年，英国南安普顿大学采用了微型振动式电磁发电机作为能源获取装置如图1，体积大约是152mm3。在0.6ms-2加速度，52H频率下，输出功率为58μW。可以满足每3秒传输一个数据。图2是一个带有驻极体薄膜CYTOP)结构的振动式静电发电机。电极之间的间距为30μm。驻极体充电后表面的平均电压为-1000V。实验结果显示：在频率为20Hz，振幅为2mm时，发电机的最大输出功率为38μW。2008年，英国南安普顿大学在欧盟第七框架的项目TRIADE资助下，采用丝网印刷技术分别实现了振动式压电发电机PZT材料和质量块的制备如图3。输出功率为117μW，输出电压2.9V。 图1 振动式电磁发电机 图2 振动式静电发电机 图3 振动式压电发电机 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应PZT)。 图4是应用于弹丸上的d33模式冲击式压电发电机，它是由一个前端质量块、一个压缩质量块以及压电叠堆材料所组成压电在一个直径为30mm的弹丸内作用在压缩材料上的力可以由能提供以速度发射到地面上，突然减速将使得质量块压缩压电。实验表明发电机的峰值电流范围为15.7A到58.2A峰值功率范围为7.4到28.4 kw （a）结构简图 （b）输出电流 图1998年，MIT实验室开展如图5所示在安装PZTPVDF压电频率1Hz时人体对鞋底压力引起压电片变形W。PVDF压电材料的最大输出电压为50V，最大输出功率约为20mW。 图5 鞋垫式压电发电机 (a)输出电压曲线 输出功率曲线 图6 压电发电机的输出特性 2.27是一个电源管理电路的结构图。该电路的输入电压是一个大小为0-35V的交流电压，而输出则是一个3.3V的直流电压。该电源管理电路包括了一个整流模块，一个电能存储模块，一个比较电路模块和一个调整电路。该电路所所用比较器型号为MAX6433，电压调节器型号为TPS72501。 图7 典2008年法国TIMA实验室MEMS振动式压电发电机，设计了将发电机与管理电路做成一个SOP(System on a Package)，如图8所示。这个SOP不需要外部电源为其供电。而其中的电源管理电路包括两部分：一部分是AC/DC转换器，用于发电机输出的整流；另一部分是调整电压强度的DC/DC转换器，用于对存储元件充电或电子元件供电。0.13μHCMOS9工艺设计加工了低阈值的整流二极管(这种二极管是DTMOS晶体管制作的，该想法是基于栅极连接原理提出的，为了得到低阈值电压二极管，将漏极与晶体管的主体连接在一起)代替标准二极管0.2V，非常适用于产生电压很低的场合。 图8 集成管理电路 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，2008年重庆大学微系统研究中心设计了电源管理控制电路微型发电机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图9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。开关控制模块及MOS开关电路构成了整个控制