近年來(lái)，隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)學(xué)和軍事方面得到了廣泛應(yīng)用。在許多應(yīng)用中，傳感器需要嵌入到待監(jiān)測(cè)目標(biāo)的內(nèi)部，與外部沒(méi)有物理連線(xiàn)，例如對(duì)運(yùn)行中汽車(chē)輪胎氣壓的監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)方法采用電池對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器供電，但電池?cái)y帶的能量有限，不能滿(mǎn)足長(zhǎng)期工作的需要，并且在環(huán)境惡劣或人類(lèi)無(wú)法到達(dá)的場(chǎng)合，電池的更換非常困難，因而收集環(huán)境能量并轉(zhuǎn)換為電能為無(wú)線(xiàn)傳感器供電成為研究熱點(diǎn)[1-2].環(huán)境中能量采集的來(lái)源主要包括電磁場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)、溫度梯度等能源[3].由于振動(dòng)在環(huán)境中普遍存在，且能量密度高，所以振動(dòng)能量采集是目前研究較多的一種能量采集方案。從環(huán)境中采集的電能應(yīng)該經(jīng)過(guò)調(diào)理來(lái)獲得所需的功率，從而為電子器件提供電源，而設(shè)計(jì)能量調(diào)理電路的關(guān)鍵問(wèn)題是阻抗匹配。GUYOMAN等人采用一種非線(xiàn)性處理方法來(lái)提高壓電器件的輸出功率，此方案無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，壓電器件的有效輸出功率不高[4]；VELD等人設(shè)計(jì)的能量管理電路需要外加電源，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全自供能[5].為了提高能量采集器的輸出功率和實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器的振動(dòng)自供能，本文設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)自供能無(wú)線(xiàn)傳感器的電源管理電路。為振動(dòng)能量采集器設(shè)計(jì)了阻抗匹配電路，采用最大功率對(duì)儲(chǔ)能超級(jí)電容進(jìn)行充電，電路提高了采集器的輸出功率及對(duì)超級(jí)電容充電的效率，縮短了充電時(shí)間；同時(shí)設(shè)計(jì)了能量瞬時(shí)釋放電路，在短時(shí)間內(nèi)將電壓為0.6 V的0.47 F超級(jí)電容內(nèi)儲(chǔ)存的能量釋放，大幅度提高了放電功率， 能夠驅(qū)動(dòng)最大功耗為75 mW的無(wú)線(xiàn)傳感器工作。

　　1 振動(dòng)自供能無(wú)線(xiàn)傳感器

　　振動(dòng)能量采集器受到無(wú)線(xiàn)傳感器周?chē)h(huán)境振動(dòng)的激勵(lì)時(shí)，將振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，采集器的電輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)能量存儲(chǔ)電路的存儲(chǔ)和電源管理電路的調(diào)理后，為無(wú)線(xiàn)傳感器提供電源，原理如圖1所示。在無(wú)線(xiàn)傳感器硬件系統(tǒng)中，溫濕度傳感器SHT11作為傳感單元，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的溫度和濕度信息的采集；微處理器ATmega32L作為處理單元，負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的操作，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、融合以及轉(zhuǎn)發(fā)；通信芯片CC1100作為通信單元，負(fù)責(zé)將微處理器處理后的溫濕度信息無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)狡渌麥貪穸葌鞲衅鞴?jié)點(diǎn)或服務(wù)器和用戶(hù)。無(wú)線(xiàn)傳感器的額定工作電壓為3 V，整個(gè)工作過(guò)程用時(shí)約620 ms.其中，采集和處理信號(hào)時(shí)，工作電流為6 mA，消耗功率為18 mW，用時(shí)為615 ms；發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，工作電流為25 mA，消耗功率為75 mW，用時(shí)為5 ms.

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　　2 振動(dòng)能量采集器

　　振動(dòng)能量采集器由磁路、懸臂梁、磁電換能器等部分組成，如圖2（a）所示。固定在懸臂梁前端的磁路由4個(gè)釹鐵硼磁鐵和2個(gè)磁軛組成，在空氣隙中可形成非均勻磁場(chǎng)，并起質(zhì)量塊的作用。磁電換能器（MPM磁電換能器）由Terfenol-D/PZT/Terfenol-D構(gòu)成。當(dāng)采集器隨環(huán)境振動(dòng)時(shí)，磁路和換能器產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于空氣隙中的磁場(chǎng)是非均勻的，磁電換能器將感應(yīng)到變化的磁場(chǎng)，在變化磁場(chǎng)的作用下，磁致伸縮層產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變，機(jī)械應(yīng)變傳遞到壓電層，產(chǎn)生電輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換[6-7].

　　將采集器的輸出直接與電阻聯(lián)接，在0.5 g加速度激勵(lì)下，諧振時(shí)采集器的負(fù)載功率和電壓隨負(fù)載變化曲線(xiàn)如圖2（b）所示，采集器的最佳電阻約為3 585 k？贅，此時(shí)其最大輸出功率為1 099.1 μW[7].由圖2（b）可知，能量采集器與儲(chǔ)能超級(jí)電容的阻抗差異極大（前者為3.585 M？贅，后者僅為數(shù)歐），若將換能器輸出的信號(hào)直接整流后對(duì)超級(jí)電容充電，超級(jí)電容獲得的功率將極低（只有μW量級(jí)）。因此，需通過(guò)阻抗匹配將超級(jí)電容的阻抗變換到采集器的最佳負(fù)載附近或略大于最佳負(fù)載。

　　3 電源管理電路

　　3.1 電源管理電路的基本原理

　　電源管理電路由阻抗匹配電路、整流電路、儲(chǔ)能電容、瞬時(shí)放電電路等部分組成，如圖3所示。其中，超級(jí)電容Cst為儲(chǔ)能電容，為無(wú)線(xiàn)傳感器的工作提供能量；電解電容C0為輔助電容，為控制電路提供工作電壓和能量。控制電路通過(guò)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能電容的電壓來(lái)控制瞬時(shí)放電電路的工作。

　　MPM磁電換能器將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，阻抗匹配電路對(duì)換能器進(jìn)行阻抗匹配，匹配后的兩路能量輸出信號(hào)再經(jīng)過(guò)整流后，分別對(duì)Cst和C0進(jìn)行充電。當(dāng)Cst的電壓達(dá)到閾值電壓上限0.6 V時(shí)，瞬時(shí)放電電路開(kāi)始工作，儲(chǔ)能電容瞬間釋放其存儲(chǔ)的電能，驅(qū)動(dòng)無(wú)線(xiàn)傳感器工作。隨著無(wú)線(xiàn)傳感器的耗能，當(dāng)Cst的電壓降至閾值電壓下限0.4 V時(shí)，放電電路結(jié)束工作，儲(chǔ)能電容結(jié)束放電。儲(chǔ)能電容放電一次，無(wú)線(xiàn)傳感器完成一次發(fā)射數(shù)據(jù)，儲(chǔ)能電容再進(jìn)入下一個(gè)充電周期。

　　3.2 阻抗匹配電路

　　根據(jù)電路原理，當(dāng)負(fù)載阻抗與信號(hào)源內(nèi)阻抗互為共軛復(fù)數(shù)時(shí)，負(fù)載獲得最大功率，即負(fù)載與信號(hào)源達(dá)到阻抗匹配狀態(tài)。由于能量采集器的等效內(nèi)阻呈容性，因此需要在電路中增加一個(gè)感性器件來(lái)與之調(diào)節(jié)諧振，并通過(guò)阻抗變換來(lái)達(dá)到上述狀態(tài)，從而使電源管理電路以最大功率對(duì)儲(chǔ)能超級(jí)電容進(jìn)行充電，提高電路對(duì)超級(jí)電容的充電效率，縮短充電時(shí)間。

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　　電源管理電路的充電等效電路如圖4所示。串聯(lián)諧振電路諧振頻率的計(jì)算公式為：

　　根據(jù)電路原理，初級(jí)回路關(guān)系式為：