微能量采集電路設計及測試

李曉旭，潘 迪，李愛軍，張晏嘉，胡宏佳

（1.齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學 理學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；3.齊齊哈爾技師學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

從汽車到普通的手機，電池電源被廣泛使用，但也有其固有的缺點：有限的使用壽命，回收費用大，污染嚴重。日益惡化的環境和資源的短缺也促使人們尋求比較清潔的供電方式。本設計是來源于環境中的可再生能源，更加環保和低碳。作為一種補充甚至替代電池供電的選擇，是一種很好解決電池問題的方案之一[1]。本設計完成了基于LTC3108芯片的能量采集管理電路，經仿真和實驗測試后可以輸出穩定電能。

1 裝置基本工作原理

作為機械能到電能轉化的關鍵元件，微型電磁式振動發電機可以等效為一個并聯了線圈電感L0和電阻rl的電壓源，如圖1所示。

圖1 建模

產生電壓和質量塊速度之間比例系數由磁通量和發電機的幾何形狀決定。耦合機械和電氣特性可以表示為：

其中，M為等效動態質量，D為阻尼系數，koc為線圈處于開路時電磁系統剛度，y（t）為外界對系統的激勵，u（t）為質量塊相對位移，Woc、Woc分別為系統開路和短路時系統角頻率，β為機電系數。

其中，歸一化電流i=iL0/β，歸一化電壓v=v/(βω0)，Qm為機械品質因子，ξe為電阻損耗系數，假設電磁式振動發電機處于靜態應力的無電阻損耗狀態，耦合系數k2表示為短路時線圈中的電磁能量與系統總能量之比，表征了磁電系統的電能與機械能的能量轉化效率：

2 能量管理電路總體設計

環境中可再生能量收集主要由能量收集轉換器完成。本文基于電磁式微弱能量收集裝置為例，設計后端能量管理電路。由于環境中振動能量很微弱，很難被有效的采集并存取[2]。因此，設計高效率、低功耗的能量收集電路是微能量收集的難點之一。本設計著重于設計穩定輸出的電源電路，從而實現將周圍環境中的能量轉換為電能。流程如如圖2所示。

圖2 流程圖

將電磁能進行采集、轉化，最終輸出直流的電壓電流。電磁式的發電具有低電壓、高電流、低功率的特點。傳統的橋式整流濾波及其他整流濾波電路消耗功率較大。目前，電磁式能量采集多數采用低功耗，具有過載保護的高集成芯片。

3 LTC3801電路設計

LTC3108是一款低功耗的升壓型轉換器和電源管理器，它是一款高度集成的DC/DC轉換器，非常適合收集和管理來自極低輸入電壓源的能量[3]。它采用小型升壓轉換器，可為無線設備和數據采集類傳感器提供完美的電源管理解決方案。2.2V LDO負責為外部微處理器供電，主輸出則可以設置為四個固定電壓之一[4]。電磁式轉換電路在升壓同時需要轉換為直流，該芯片輸出直流，此芯片符合設計要求。在實際環境中，發電單元會受到多方面因素的影響，導致輸出電壓不穩定，因此需對能量管理電路進行輸出穩定性測試。本設計通過LTspice軟件仿真[5]，其電路原理圖如圖3所示。

圖3 電路原理圖

輸入4.3V，6Hz正弦交流電，模擬電磁式發電狀態。仿真結果如圖4所示，LTC3801輸出端可以穩定輸出直流4.3V。

圖4 電路仿真圖

為了驗證電路實際應用效果，在電路板上搭建實物電路，如圖5所示。

圖5 實物連接圖

使用功能信號發生器產生4.3V交流電，同時將LTC3801輸入端連接到函數信號發生器，輸出端連接到示波器。測試電路，連接方式及結果如圖6所示。

圖6測試電路及實驗結果

圖6 中數字示波器顯示實驗測試結果，輸出波形為平穩直流信號，電壓幅度為4.24V，與仿真數值4.3V誤差較小，表明該能量管理電路設計合理。

4 結論

根據電磁發電裝置的輸出特性，設計了基于LTC3108-1芯片的能量管理電路，通過測試，驗證了LTC3801電路的可行性和穩定性。在輸入4.3V交流電，6HZ的情況下能夠穩定輸出4.24V的直流電，驗證其實際輸出值與理論值基本一致，以用來滿足實際需求。