李曉旭，潘 迪，李愛(ài)軍，張晏嘉，胡宏佳

（1.齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；3.齊齊哈爾技師學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

從汽車到普通的手機(jī)，電池電源被廣泛使用，但也有其固有的缺點(diǎn)：有限的使用壽命，回收費(fèi)用大，污染嚴(yán)重。日益惡化的環(huán)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(shè)計(jì)是來(lái)源于環(huán)境中的可再生能源，更加環(huán)保和低碳。作為一種補(bǔ)充甚至替代電池供電的選擇，是一種很好解決電池問(wèn)題的方案之一[1]。本設(shè)計(jì)完成了基于LTC3108芯片的能量采集管理電路，經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試后可以輸出穩(wěn)定電能。

1 裝置基本工作原理

作為機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵元件，微型電磁式振動(dòng)發(fā)電機(jī)可以等效為一個(gè)并聯(lián)了線圈電感L0和電阻rl的電壓源，如圖1所示。

圖1 建模

產(chǎn)生電壓和質(zhì)量塊速度之間比例系數(shù)由磁通量和發(fā)電機(jī)的幾何形狀決定。耦合機(jī)械和電氣特性可以表示為：

其中，M為等效動(dòng)態(tài)質(zhì)量，D為阻尼系數(shù)，koc為線圈處于開(kāi)路時(shí)電磁系統(tǒng)剛度，y（t）為外界對(duì)系統(tǒng)的激勵(lì)，u（t）為質(zhì)量塊相對(duì)位移，Woc、Woc分別為系統(tǒng)開(kāi)路和短路時(shí)系統(tǒng)角頻率，β為機(jī)電系數(shù)。

其中，歸一化電流i=iL0/β，歸一化電壓v=v/(βω0)，Qm為機(jī)械品質(zhì)因子，ξe為電阻損耗系數(shù)，假設(shè)電磁式振動(dòng)發(fā)電機(jī)處于靜態(tài)應(yīng)力的無(wú)電阻損耗狀態(tài)，耦合系數(shù)k2表示為短路時(shí)線圈中的電磁能量與系統(tǒng)總能量之比，表征了磁電系統(tǒng)的電能與機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)化效率：

2 能量管理電路總體設(shè)計(jì)

環(huán)境中可再生能量收集主要由能量收集轉(zhuǎn)換器完成。本文基于電磁式微弱能量收集裝置為例，設(shè)計(jì)后端能量管理電路。由于環(huán)境中振動(dòng)能量很微弱，很難被有效的采集并存取[2]。因此，設(shè)計(jì)高效率、低功耗的能量收集電路是微能量收集的難點(diǎn)之一。本設(shè)計(jì)著重于設(shè)計(jì)穩(wěn)定輸出的電源電路，從而實(shí)現(xiàn)將周圍環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換為電能。流程如如圖2所示。

圖2 流程圖

將電磁能進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)化，最終輸出直流的電壓電流。電磁式的發(fā)電具有低電壓、高電流、低功率的特點(diǎn)。傳統(tǒng)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(shù)采用低功耗，具有過(guò)載保護(hù)的高集成芯片。

3 LTC3801電路設(shè)計(jì)

LTC3108是一款低功耗的升壓型轉(zhuǎn)換器和電源管理器，它是一款高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器，非常適合收集和管理來(lái)自極低輸入電壓源的能量[3]。它采用小型升壓轉(zhuǎn)換器，可為無(wú)線設(shè)備和數(shù)據(jù)采集類傳感器提供完美的電源管理解決方案。2.2V LDO負(fù)責(zé)為外部微處理器供電，主輸出則可以設(shè)置為四個(gè)固定電壓之一[4]。電磁式轉(zhuǎn)換電路在升壓同時(shí)需要轉(zhuǎn)換為直流，該芯片輸出直流，此芯片符合設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際環(huán)境中，發(fā)電單元會(huì)受到多方面因素的影響，導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定，因此需對(duì)能量管理電路進(jìn)行輸出穩(wěn)定性測(cè)試。本設(shè)計(jì)通過(guò)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(fā)電狀態(tài)。仿真結(jié)果如圖4所示，LTC3801輸出端可以穩(wěn)定輸出直流4.3V。

圖4 電路仿真圖

為了驗(yàn)證電路實(shí)際應(yīng)用效果，在電路板上搭建實(shí)物電路，如圖5所示。

圖5 實(shí)物連接圖

使用功能信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生4.3V交流電，同時(shí)將LTC3801輸入端連接到函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，輸出端連接到示波器。測(cè)試電路，連接方式及結(jié)果如圖6所示。

圖6測(cè)試電路及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 中數(shù)字示波器顯示實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，輸出波形為平穩(wěn)直流信號(hào)，電壓幅度為4.24V，與仿真數(shù)值4.3V誤差較小，表明該能量管理電路設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

根據(jù)電磁發(fā)電裝置的輸出特性，設(shè)計(jì)了基于LTC3108-1芯片的能量管理電路，通過(guò)測(cè)試，驗(yàn)證了LTC3801電路的可行性和穩(wěn)定性。在輸入4.3V交流電，6HZ的情況下能夠穩(wěn)定輸出4.24V的直流電，驗(yàn)證其實(shí)際輸出值與理論值基本一致，以用來(lái)滿足實(shí)際需求。