专利名称：多振子微型振动式发电机功率输出控制器的制作方法
技术领域：
本发明是关于微型振动式发电机功率输出的控制器，更确切地说，本发明是关于用微型振动式发电机为无线传感网络、遥控系统和嵌入式结构电路等供电时的功率输出控制器。属于能源和电子技术领域。
背景技术：
近年来，随着微电子和微加工技术的快速发展，集成电路和微传感器的尺寸不断减小、功耗不断降低，为无线传感器网络、遥控系统和嵌入式结构电路等的构建创造了很好的条件。无线传感器网络和嵌入式结构电路在建筑物监测、环境监测、汽车胎压监测、机械故障诊断等领域都有广泛的应用前景。目前，嵌入式无线传感发射电路一般采用电池供电，但随着网络节点数的增加和传感器尺寸的减小，电池的更换或重新充电导致系统的维护成本大大增加，不利于无线传感器网络的普及。因此，利用电磁、静电、压电等效应，通过拾振装置将环境中的机械振动能转换成电能，成为可供选择的电源方案之一。
利用电磁、静电、压电等效应设计制作出的单振子微型振动式发电机已见一些报道，在微小尺寸和体积的限制条件下，振子振动产生的电荷输出功率一般在十几微瓦到几百微瓦之间，通过一般的整流、滤波和储能控制电路不能连续为无线传感器网络发射模块供电，特别是发射模块瞬时发射功率在几个毫瓦以上时。
发明内容
本发明的目的是克服单振子微型振动式发电机通过一般的整流、滤波和储能控制电路不能连续为瞬时发射功率大的无线传感器网络发射模块供电的问题，提供一种多振子振动发电机功率输出控制电路，使微型振动式发电机能连续稳定地向无线传感器网络发射模块供能。
本发明的技术方案如下一种多振子微型振动式发电机功率输出控制器，它包括
一个以上微型振动式发电机振子作为主振子，其引出线连接到主整流电路，主整流电路接储能器，对主储能器充电储能；所述主储能器分别接电子开关、滞回比较器和辅助补充能量控制电路，通过电子开关向工作负载输出功率；所述滞回比较器分别接开关控制电路和辅助补充能量控制电路，所述开关控制电路接电子开关，滞回比较器对主储能器电压取样，根据设定电压高限阈值和低限阈值，通过开关控制电路对电子开关进行关断或接通；所述电子开关接输出滤波器后输出电功率，为无线传感器网络、遥控系统和嵌入式结构电路等负载供能。
一个微型振动式发电机振子作为辅助振子，其引出线连接到辅整流电路，辅整流电路接滤波器；所述滤波器分别接稳压电路和辅助补充能量控制电路，通过滤波器、稳压电路形成直流电压；所述稳压电路分别接滞回比较器、电子开关和开关控制电路，为滞回比较器、电子开关、开关控制电路提供工作电压；所述辅助振子经辅整流电路、滤波器后产生的富裕功率在电子开关接通期间通过辅助补充能量控制电路补充输出到工作负载上。
所述主振子为n个，n≥1，每个振子分别接一个整流电路，再接一个电阻R后接到主储能器，提高充电电流和输出功率。
本发明提到的多振子微型振动式发电机可以有多种结构形式，一种是在微型振动式发电机内部至少设两个以上相同结构、相同谐振频率的机械振子，一个作为辅助振子，一个以上作为主振子。
另一种多振子结构方案是采用至少两个以上相同结构、相同谐振频率的单振子微型振动式发电机相组合，一个作为辅助发电机，一个以上作为主发电机。
另外还可以有其他的多振子微型振动式发电机形式，它们的输出均适于采用本发明的功率输出控制器。
本发明的多振子微型振动式发电机功率输出控制器可应用于连续振动环境中的分布式系统、无线传感器网络、生物植入装置或嵌入式监测装置等系统的供电控制。它与现有技术相比，有如下积极效果。
1.采用主一辅振子工作结构，由辅助振子产生电功率使控制电路迅速工作切断主振子供电给工作负载的回路，可靠让主储能器无泄漏充电储能。一旦主储能器储备功率达到工作负载要求，迅速使主储能器与工作负载接通输出功率，能满足如无线传感器网络发射模块这样的负载间歇式消耗大功率的要求。而一般采用单振子结构充电储能无法使负载正常工作。
2.功率控制器电路自身的功耗很低，一般在几十微瓦以下，当主储能器与工作负载接通后，辅助振子产生的富裕功率会自动补充到主回路，无功率浪费现象。
3.主振子发电平均功率大于负载消耗平均功率时，输出电压会稳定在设定值而不会持续升高，可保护负载不被损坏。当主储能器储备的功率不能维持瞬态大功率消耗时，主回路将自动关断，进行新的充电储能，控制器工作安全可靠。
图1是本发明功率输出控制器的电路原理方框图；图2是发电机主振子1、整流电路2为两路以上的电路原理框图；图3是本发明功率输出控制器的电路图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1中，将微型振动式发电机主振子1随振动产生的交变电压接入主整流电路2整流后对储能器3进行充电储能。如果振动加速度比较小而无线传感器网络、遥控系统或嵌入式结构电路等工作负载的瞬时功率、平均功率比较大时，所述主振子1需要有多个，每个振子按图2所示接相同的整流电路再接一个几欧姆的小电阻R后对储能器3进行充电储能。微型振动式发电机辅助振子4随振动产生的交变电压接入辅整流电路5，所述辅整流电路5输出经过滤波器6滤波后形成直流电压，再经过稳压电路8为滞回比较器9、电子开关11、开关控制电路10提供工作电压。所述储能器3的电压经过所述电子开关11、滤波器12后对工作负载供电，同时所述储能器3的电压又送到所述滞回比较器9进行监测，当储能器3的电压逐渐增大而小于比较器9设定的上限阈值时，滞回比较器9输出高电平，通过开关控制电路10控制电子开关11关断；当储能器3的电压达到上限阈值电平，滞回比较器9输出低电平，通过开关控制电路10控制电子开关11接通；当储能器3的电压达到上限阈值电平以后开始下降，只要没有下降到滞回比较器9设定的下限阈值时，滞回比较器9依然输出低电平，通过开关控制电路10维持电子开关11接通；一旦储能器3的电压下降到滞回比较器9设定的下限阈值时，滞回比较器9输出高电平，通过开关控制电路10控制电子开关11关断。所述滞回比较器9输出连接到辅助补充能量控制电路7，在滞回比较器9输出为高电平时，所述辅助补充能量控制电路7关断，辅整流电路5输出经过滤波器6滤波后形成的直流电压不对主储能器3补充充电；在滞回比较器9输出为低电平时，辅助补充能量控制电路7接通，辅整流电路5输出经过滤波器6滤波后形成的直流电压对主储能器3补充充电，以增大输出功率。
图2是发电机主振子1、整流电路2为两路以上的电路原理框图，所述微型振动式发电机主振子1为n个，主整流电路2也相应有n路。如图所示，发电机主振子1-1依次接整流电路2-1、电阻R、储能器3；发电机主振子1-2依次接整流电路2-2、电阻R、储能器3；发电机主振子1-n依次接整流电路2-n、电阻R、储能器3。
图3是所述图1的电路图。所述主储能器2采用大容量电容C2、C3并联构成，是针对无线传感器网络发射模块启动发射电流比较大的情况，如果负载启动发射电流比较小，可以去掉一个大容量电容。所述电子开关11选用2片HCD4066(图3中U2、U3)并联连接，主要是让电子开关的导通电阻在10欧姆以下，不影响所述工作负载正常工作。所述滞回比较器9由U1、R13、R14、R15、Rw、C4构成，U1选用ICL7665，选择(R14+Rw)＝3MΩ左右，若设置Vi的上限电平为VH，则R13＝(R14+Rw)((VH-1.3V)/1.3V)；再设置Vi的下限电平为VL，则R15＝R13((V+-1.3V)/(VH-VL))。VH和VL的大小是根据工作负载的电压范围来设定。
权利要求
1.一种多振子微型振动式发电机功率输出控制器，其特征在于，它包括一个以上微型振动式发电机振子作为主振子(1)，其引出线连接到主整流电路(2)，主整流电路(2)接储能器(3)，对主储能器(3)充电储能；所述主储能器(3)分别接电子开关(11)、滞回比较器(9)和辅助补充能量控制电路(7)，通过电子开关(11)向工作负载输出功率；所述滞回比较器(9)分别接开关控制电路(10)和辅助补充能量控制电路(7)，所述开关控制电路(10)接电子开关(11)，滞回比较器(9)对主储能器(3)电压取样，根据设定电压高限阈值和低限阈值，通过开关控制电路(10)对电子开关(11)进行关断或接通；所述电子开关(11)接输出滤波器(12)后输出电功率，为无线传感器网络、遥控系统和嵌入式结构电路等负载供能。一个微型振动式发电机振子作为辅助振子(4)，其引出线连接到辅整流电路(5)，辅整流电路(5)接滤波器(6)；所述滤波器(6)分别接稳压电路(8)和辅助补充能量控制电路(7)，通过滤波器(6)、稳压电路(8)形成直流电压；所述稳压电路(8)分别接滞回比较器(9)、电子开关(11)和开关控制电路(10)，为滞回比较器(9)、电子开关(11)、开关控制电路(10)提供工作电压；所述辅助振子(4)经辅整流电路(5)、滤波器(6)后产生的富裕功率在电子开关(11)接通期间通过辅助补充能量控制电路(7)补充输出到工作负载上。
2.根据权利要求1所述的多振子微型振动式发电机功率输出控制器，其特征在于，所述主振子(1)为n个，n≥1，每个主振子分别接一个主整流电路(2)，再接一个电阻(R)后接到主储能器(3)，提高充电电流和输出功率。
全文摘要
本发明公开了一种多振子微型振动式发电机功率输出控制器，它采用主—辅多振子结构方案，含有主振子、主整流电路、主储能器、辅助振子、辅整流电路、滤波器、辅助补充能量控制电路、稳压电路、滞回比较器、开关控制电路、电子开关等。所述主振子通过主整流电路对主储能器进行充电储能。所述辅助振子通过辅整流电路、滤波器、稳压电路产生直流电压为滞回比较器、电子开关、开关控制电路等提供工作电压，形成对主储能器功率输出控制。通过监测主储能器电压来接通或断开电子开关，实现在连续振动环境中对间歇式消耗大功率的负载进行供电。本发明可应用于连续振动环境中的分布式系统、无线传感器网络、生物植入装置或嵌入式监测装置等系统的供电控制。
文档编号H02J1/10GK101090249SQ20071009246
公开日2007年12月19日 申请日期2007年7月20日 优先权日2007年7月20日
发明者廖海洋, 温志渝, 温中泉, 贺学锋, 刘海涛 申请人:重庆大学