一种振动自供能无线传感器的电源管理电路

近年来，随着无线传感器网络技术的发展，无线传感器网络技术在环境监控、医学和军事方面得到了广泛应用。在许多应用中，传感器需要嵌入到待监测目标的内部，与外部没有物理连线，例如对运行中汽车轮胎气压的监测。传统方法采用电池对无线传感器供电，但电池携带的能量有限，不能满足长期工作的需要，并且在环境恶劣或人类无法到达的场合，电池的更换非常困难，因而收集环境能量并转换为电能为无线传感器供电成为研究热点[1-2].环境中能量采集的来源主要包括电磁场、机械振动、温度梯度等能源[3].由于振动在环境中普遍存在，且能量密度高，所以振动能量采集是目前研究较多的一种能量采集方案。从环境中采集的电能应该经过调理来获得所需的功率，从而为电子器件提供电源，而设计能量调理电路的关键问题是阻抗匹配。GUYOMAN等人采用一种非线性处理方法来提高压电器件的输出功率，此方案无法完全实现阻抗匹配，压电器件的有效输出功率不高[4]；VELD等人设计的能量管理电路需要外加电源，无法实现完全自供能[5].为了提高能量采集器的输出功率和实现无线传感器的振动自供能，本文设计了一种振动自供能无线传感器的电源管理电路。为振动能量采集器设计了阻抗匹配电路，采用最大功率对储能超级电容进行充电，电路提高了采集器的输出功率及对超级电容充电的效率，缩短了充电时间；同时设计了能量瞬时释放电路，在短时间内将电压为0.6 V的0.47 F超级电容内储存的能量释放，大幅度提高了放电功率， 能够驱动最大功耗为75 mW的无线传感器工作。

1 振动自供能无线传感器

振动能量采集器受到无线传感器周围环境振动的激励时，将振动能转化为电能，采集器的电输出信号经过能量存储电路的存储和电源管理电路的调理后，为无线传感器提供电源，原理如图1所示。在无线传感器硬件系统中，温湿度传感器SHT11作为传感单元，负责监测区域内的温度和湿度信息的采集；微处理器ATmega32L作为处理单元，负责控制整个传感节点的操作，实现温湿度数据的存储、融合以及转发；通信芯片CC1100作为通信单元，负责将微处理器处理后的温湿度信息无线传输到其他温湿度传感器节点或服务器和用户。无线传感器的额定工作电压为3 V，整个工作过程用时约620 ms.其中，采集和处理信号时，工作电流为6 mA，消耗功率为18 mW，用时为615 ms；发射数据时，工作电流为25 mA，消耗功率为75 mW，用时为5 ms.