【摘 要】
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随着无线传感网的快速发展,对于构成该网络的无线传感节点的供电要求也越来越高。传统的供电方式是使用蓄电池等设备进行供电,但是需要人力维护以及更换,增加成本的同时还会带来环境污染。利用压电能量采集器将环境中的振动能转换为电能是解决无线传感节点自供电问题的一条有效途径。压电能量采集器的输出为交流电,不可直接为负载供电,因此需要设计相应的电能捕获与管理电路。本文在分析了不同类型压电能量采集器输出特性的基础
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随着无线传感网的快速发展,对于构成该网络的无线传感节点的供电要求也越来越高。传统的供电方式是使用蓄电池等设备进行供电,但是需要人力维护以及更换,增加成本的同时还会带来环境污染。利用压电能量采集器将环境中的振动能转换为电能是解决无线传感节点自供电问题的一条有效途径。压电能量采集器的输出为交流电,不可直接为负载供电,因此需要设计相应的电能捕获与管理电路。本文在分析了不同类型压电能量采集器输出特性的基础上,设计了两种电能捕获与管理电路。第一种电能捕获与管理电路采用全波整流电路实现能量捕获,包含整流桥、全CMOS结构基准源、电能管理电路。整流桥采用PMOS交叉耦合结构极大地降低了导通压降,全CMOS基准源为电路提供基准电压与参考电流,电能管理电路为负载提供1.8V稳定电压并控制负载处于间歇工作状态。该电路采用华虹宏力110nm CMOS工艺流片,版图面积为0.6mm2,芯片采用QFN32形式封装。在频率40Hz,加速度幅值4g振动条件下,测得芯片能量提取功率为234μW,负载每间隔3s工作一次,工作时电源电压为1.8V。尽管全波整流电能捕获电路结构简单、易于实现,但是在捕获二级振动结构压电能量采集器输出电能中无法达到最大功率提取,因此在第二种电能捕获与管理电路中采用同步电荷提取电路来实现电能捕获,包含冷启动、峰值检测、比较器复用以及栅极驱动电路模块。其中比较器复用电路仅利用一个比较器完成电路振动检测、过零检测以及反向电流检测等多个工作状态的切换,有效地降低了电路功耗与版图面积。该电路采用华虹宏力110nm CMOS工艺进行设计,版图面积为0.75mm2。在恒定型与冲击型振动激励仿真条件下,发现同步电荷提取电路能量提取功率分别为全波整流电路的3.01倍、4.57倍,有效提高了能量提取功率。
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