近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(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)測目標(biāo)的內(nèi)部，與外部沒有物理連線，例如對運(yùn)行中汽車輪胎氣壓的監(jiān)測。傳統(tǒng)方法采用電池對無線傳感器供電，但電池攜帶的能量有限，不能滿足長期工作的需要，并且在環(huán)境惡劣或人類無法到達(dá)的場合，電池的更換非常困難，因而收集環(huán)境能量并轉(zhuǎn)換為電能為無線傳感器供電成為研究熱點(diǎn)[1-2].環(huán)境中能量采集的來源主要包括電磁場、機(jī)械振動、溫度梯度等能源[3].由于振動在環(huán)境中普遍存在，且能量密度高，所以振動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)過調(diào)理來獲得所需的功率，從而為電子器件提供電源，而設(shè)計能量調(diào)理電路的關(guān)鍵問題是阻抗匹配。GUYOMAN等人采用一種非線性處理方法來提高壓電器件的輸出功率，此方案無法完全實(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)計的能量管理電路需要外加電源，無法實(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)無線傳感器的振動自供能，本文設(shè)計了一種振動自供能無線傳感器的電源管理電路。為振動能量采集器設(shè)計了阻抗匹配電路，采用最大功率對儲能超級電容進(jìn)行充電，電路提高了采集器的輸出功率及對超級電容充電的效率，縮短了充電時間；同時設(shè)計了能量瞬時釋放電路，在短時間內(nèi)將電壓為0.6 V的0.47 F超級電容內(nèi)儲存的能量釋放，大幅度提高了放電功率， 能夠驅(qū)動最大功耗為75 mW的無線傳感器工作。

　　1 振動自供能無線傳感器

　　振動能量采集器受到無線傳感器周圍環(huán)境振動的激勵時，將振動能轉(zhuǎn)化為電能，采集器的電輸出信號經(jīng)過能量存儲電路的存儲和電源管理電路的調(diào)理后，為無線傳感器提供電源，原理如圖1所示。在無線傳感器硬件系統(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)控制整個傳感節(jié)點(diǎn)的操作，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的存儲、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線傳輸?shù)狡渌麥貪穸葌鞲衅鞴?jié)點(diǎn)或服務(wù)器和用戶。無線傳感器的額定工作電壓為3 V，整個工作過程用時約620 ms.其中，采集和處理信號時，工作電流為6 mA，消耗功率為18 mW，用時為615 ms；發(fā)射數(shù)據(jù)時，工作電流為25 mA，消耗功率為75 mW，用時為5 ms.

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　　2 振動能量采集器

　　振動能量采集器由磁路、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個釹鐵硼磁鐵和2個磁軛組成，在空氣隙中可形成非均勻磁場，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)境振動時，磁路和換能器產(chǎn)生相對運(yùn)動。由于空氣隙中的磁場是非均勻的，磁電換能器將感應(yīng)到變化的磁場，在變化磁場的作用下，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加速度激勵下，諧振時采集器的負(fù)載功率和電壓隨負(fù)載變化曲線如圖2（b）所示，采集器的最佳電阻約為3 585 k？贅，此時其最大輸出功率為1 099.1 μW[7].由圖2（b）可知，能量采集器與儲能超級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直接整流后對超級電容充電，超級電容獲得的功率將極低（只有μW量級）。因此，需通過阻抗匹配將超級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、儲能電容、瞬時放電電路等部分組成，如圖3所示。其中，超級電容Cst為儲能電容，為無線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。控制電路通過監(jiān)測儲能電容的電壓來控制瞬時放電電路的工作。

　　MPM磁電換能器將振動能轉(zhuǎn)換為電能，阻抗匹配電路對換能器進(jìn)行阻抗匹配，匹配后的兩路能量輸出信號再經(jīng)過整流后，分別對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，瞬時放電電路開始工作，儲能電容瞬間釋放其存儲的電能，驅(qū)動無線傳感器工作。隨著無線傳感器的耗能，當(dāng)Cst的電壓降至閾值電壓下限0.4 V時，放電電路結(jié)束工作，儲能電容結(jié)束放電。儲能電容放電一次，無線傳感器完成一次發(fā)射數(shù)據(jù)，儲能電容再進(jìn)入下一個充電周期。

　　3.2 阻抗匹配電路

　　根據(jù)電路原理，當(dāng)負(fù)載阻抗與信號源內(nèi)阻抗互為共軛復(fù)數(shù)時，負(fù)載獲得最大功率，即負(fù)載與信號源達(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感性器件來與之調(diào)節(jié)諧振，并通過阻抗變換來達(dá)到上述狀態(tài)，從而使電源管理電路以最大功率對儲能超級電容進(jìn)行充電，提高電路對超級電容的充電效率，縮短充電時間。

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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算公式為：

　　根據(jù)電路原理，初級回路關(guān)系式為：