微能量采集电路设计及测试

李晓旭，潘 迪，李爱军，张晏嘉，胡宏佳

（1.齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔大学 理学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；3.齐齐哈尔技师学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

从汽车到普通的手机，电池电源被广泛使用，但也有其固有的缺点：有限的使用寿命，回收费用大，污染严重。日益恶化的环境和资源的短缺也促使人们寻求比较清洁的供电方式。本设计是来源于环境中的可再生能源，更加环保和低碳。作为一种补充甚至替代电池供电的选择，是一种很好解决电池问题的方案之一[1]。本设计完成了基于LTC3108芯片的能量采集管理电路，经仿真和实验测试后可以输出稳定电能。

1 装置基本工作原理

作为机械能到电能转化的关键元件，微型电磁式振动发电机可以等效为一个并联了线圈电感L0和电阻rl的电压源，如图1所示。

图1 建模

产生电压和质量块速度之间比例系数由磁通量和发电机的几何形状决定。耦合机械和电气特性可以表示为：

其中，M为等效动态质量，D为阻尼系数，koc为线圈处于开路时电磁系统刚度，y（t）为外界对系统的激励，u（t）为质量块相对位移，Woc、Woc分别为系统开路和短路时系统角频率，β为机电系数。

其中，归一化电流i=iL0/β，归一化电压v=v/(βω0)，Qm为机械品质因子，ξe为电阻损耗系数，假设电磁式振动发电机处于静态应力的无电阻损耗状态，耦合系数k2表示为短路时线圈中的电磁能量与系统总能量之比，表征了磁电系统的电能与机械能的能量转化效率：

2 能量管理电路总体设计

环境中可再生能量收集主要由能量收集转换器完成。本文基于电磁式微弱能量收集装置为例，设计后端能量管理电路。由于环境中振动能量很微弱，很难被有效的采集并存取[2]。因此，设计高效率、低功耗的能量收集电路是微能量收集的难点之一。本设计着重于设计稳定输出的电源电路，从而实现将周围环境中的能量转换为电能。流程如如图2所示。

图2 流程图

将电磁能进行采集、转化，最终输出直流的电压电流。电磁式的发电具有低电压、高电流、低功率的特点。传统的桥式整流滤波及其他整流滤波电路消耗功率较大。目前，电磁式能量采集多数采用低功耗，具有过载保护的高集成芯片。

3 LTC3801电路设计

LTC3108是一款低功耗的升压型转换器和电源管理器，它是一款高度集成的DC/DC转换器，非常适合收集和管理来自极低输入电压源的能量[3]。它采用小型升压转换器，可为无线设备和数据采集类传感器提供完美的电源管理解决方案。2.2V LDO负责为外部微处理器供电，主输出则可以设置为四个固定电压之一[4]。电磁式转换电路在升压同时需要转换为直流，该芯片输出直流，此芯片符合设计要求。在实际环境中，发电单元会受到多方面因素的影响，导致输出电压不稳定，因此需对能量管理电路进行输出稳定性测试。本设计通过LTspice软件仿真[5]，其电路原理图如图3所示。

图3 电路原理图

输入4.3V，6Hz正弦交流电，模拟电磁式发电状态。仿真结果如图4所示，LTC3801输出端可以稳定输出直流4.3V。

图4 电路仿真图

为了验证电路实际应用效果，在电路板上搭建实物电路，如图5所示。

图5 实物连接图

使用功能信号发生器产生4.3V交流电，同时将LTC3801输入端连接到函数信号发生器，输出端连接到示波器。测试电路，连接方式及结果如图6所示。

图6测试电路及实验结果

图6 中数字示波器显示实验测试结果，输出波形为平稳直流信号，电压幅度为4.24V，与仿真数值4.3V误差较小，表明该能量管理电路设计合理。

4 结论

根据电磁发电装置的输出特性，设计了基于LTC3108-1芯片的能量管理电路，通过测试，验证了LTC3801电路的可行性和稳定性。在输入4.3V交流电，6HZ的情况下能够稳定输出4.24V的直流电，验证其实际输出值与理论值基本一致，以用来满足实际需求。