电磁式振动能量转换电路设计
目 录
1 引言 1
1.1 前言 1
1.2 课题的背景及意义 1
1.3 振动能量收集发电技术的研究现状 2
1.4 论文的主要研究内容及结构 4
2 电磁振动能量转换的基础理论 5
2.1 电磁式发电的基础理论 5
2.2 电磁式振动能量转换装置结构系统分析 6
2.3 本章小结 8
3 能量基础转换电路介绍及仿真分析 8
3.1 OrCAD软件介绍 8
3.2 整流电路 9
3.3 滤波电路 13
3.4 DC-DC转换电路 17
3.6 本章小结 19
4 能量转换电路设计 20
4.1 电路主要芯片介绍 20
4.2 整流电路设计 24
4.3 DC-DC变换设计 25
4.4 系统转换电路设计 25
4.5 转换电路PCB板设计 26
4.6 转换电路原型实验展示 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
1 引言
1.1 前言
我们的日常生活中无时无刻不需要消耗能源，可以说人类的衣食起居已离不开能源，科技的进步、经济的腾飞以及和谐社会的构建都需要大量能源作为重要基石。然而，伴随着人类社会的高速发展，能源资源的大量1不合理开采，地球资源如煤炭、石油和天然气已面临极限匮乏的状况，而且大量消耗化石能源资源，对生态环境造成无法复原的破坏，近年来的雾霾、温室效应以及物种灭绝都与长期无节制使用化石能源有着极大的关系。此外，就石 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
油等能源资源的争夺而引起的矛盾冲突已严重影响世界和平发展趋势，甚至爆发冲突和战争，威胁国际安全局势，影响国际格局。故此，寻找绿色清洁可再生能源，成为人类社会长期发展的关键举措。
目前，太阳能、氢能等可再生、无污染的清洁能源的开发、利用成为能源危机和环境保护问题的金钥匙[1]。尽管新能源安全、清洁、成本低，有的技术发展的成熟，但一旦发生事故，它会对人体、环境产生巨大的危害。新能源的分布不均、受到地理环境条件制约和危险系数较高等原因也困扰着人类对能源的需求。例如2011年日本关东大地震所引发的福岛核泄漏事故，不仅震动了日本人，更震动了全世界，造成了惨痛的代价，迫使许多国家重新思考制定的能源发展计划，也引发了人们对世界的能源发展战略进行重新研究检讨。因此，尽量收集在我们日常生活存在的能量以提高整体能源系统的使用效率，具有特别重要的意义，与此同时，在我们的周围有着无除不在的低频振动能量，研究振动能量转换电路不仅减少振动带来的不便，也可充分采集使用这些振动能量。
1.2 课题的背景及意义
近些年，无线传感器网络与微机电系统技术的发展受到了广泛的关注[2]。大量微电子设备已应用在包括构建民用基础设备的状态检测、坏境控制、智能家庭以及国家安全等系统中。然而，相对常规电池而言，器件数目的增加以及尺寸的缩小使得高效的电源对此微系统的供电显得格外重要。因此，要将此类微电子设备及系统付诸实现，首先需要面临问题是解决器件及系统的供能问题。
与一般传统器件或系统而言，植入式器件需要依靠自身的供能来持续工作。然而，若在微系统上安装常规电池，将增大整体系统的体积及重量，更为重要的是常规电池
提供的电能时间短，对环境造成严重的污染。低功耗电子设备设计加工技术的迅猛发展，降低了供电系统的要求。事实上，集成电路技术的进步使其特征尺寸不断缩小，集成电路的供电要求不断降低。使得利用周围环境中的振动能量实现电能转换、为微器件或系统提供和补充电能的设想逐步成为现实。
机械振动能可以通过电磁转换、压电转换、静电转换等进行电能转换[3]。其中，电磁式振动能量转换的应用具有更为广阔的前景，这是由于它的感应频率高，可应用于极端环境中，且不需要额外的电源。
1.3 振动能量收集发电技术的研究现状
1.3.1 电磁发电技术的研究现状
1997年英国谢菲尔德大学的研究人员首次创造出了能量转换微器件。器件的上方由含有弹簧质量块的砷化镓圆片组成，当受到来自外部的振动作用时，弹簧质量块产生垂直振动，基座由包含平面线圈的硅圆片构成，因振动相位与基座相异，磁块与线圈产生相对运动。经过试验，输出功率远小于理论值，并且谐振频率较大[4]。
图1-1 谢菲尔德大学研究的电磁发电器截面图
中国香港中文大学的研究人员在2000年将一种由钦铁硼磁体放置在由螺旋铜弹簧由激光微加工的磁体结构。实验结果显示螺旋弹簧具有双倍的位移。此后，研究人员对螺旋弹簧进行了优化，在谐振频率110Hz下，激励振幅为200μm，相当于95.5m/s2的激励信号，原器件的输出最大电压为4.4V，最大输出功率达830μW。
2005年Barcelona大学研发小组将钦铁硼磁体和聚酰亚胺薄膜键合，构成弹簧、质量块一体系布局，可是，因器件的寄生阻尼远远大于电磁阻尼，所以无法实现最大的输出功率。经过改进，如图1-2所示，改进后的装置在振幅为5μm、共振频率为380Hz，加速度为29m/s2的信号下，输出功率为55μW。
图1-2 Barcelona改进后的电磁发电器
2012 年南京航空航天大学邵玮等人提出利用 Halbach 永磁体阵列作为电磁式振动能量采集结构。该结构由蛇形铜平面弹簧作为采集振动结构，弹簧下连接质量块，并且在四个质量块粘帖有四组Halbach 永磁阵列，并固定了四组线圈。该结构体积大约为 5cm×5cm×3cm，实验得出输出电压约 175mV。
1.3.2 复合式能量收集发电技术的研究现状
为了提高系统性能、收集更多的有效能量，研究人员提出复合式能量收集技术。这种技术可以从如太阳能、风能、地热能及振动能两个或者多个能量源收集能量，也可以为起到相互补充的作用，从同一个系统集合两种不同的收集方法。其中因机电耦合系数较高，无需驱动电能等优点，电磁和压电能量收集机制相结合发电的系统受到了更多的关注，不少国内外研究人员已经设计出相关模型。
美国 Columbia 大学的研究小组开发了一种从敲打键盘的振动中收集能量的新颖器件[6]，该器件运用了压电及电磁双重转换原理[5]。研究小组设计了可以连接到电脑键盘的原型器件，经过实际试验，压电收集装置能够发出的峰值功率为 40.8μW，与此同时，电磁收集部分的输出峰值功率大约 1.15μW。同时，研究小组还指出如果将此微机械振动能量收集系统制以数组的方式安装在键盘上可明显的提高电能输出功率。
美国Huang Jian-kang等研究人员开发了Ter-fenol-D/PZT/Terfenol-D多模式能量收集原件，他们将压电器件和磁致伸缩器件复合起来，在频率为30Hz，0.5g加速度的激励条件下实验，获得的输出功率大于10mW
3.2 整流电路
整流电路是现代电力电子应用最多的电路之一，它将交流电能变换成直流电能，应用十分广泛，电路种类很多，各具特色，分类方式很多。本文根据需要主要介绍桥式电路和倍压电路。
1 引言 1
1.1 前言 1
1.2 课题的背景及意义 1
1.3 振动能量收集发电技术的研究现状 2
1.4 论文的主要研究内容及结构 4
2 电磁振动能量转换的基础理论 5
2.1 电磁式发电的基础理论 5
2.2 电磁式振动能量转换装置结构系统分析 6
2.3 本章小结 8
3 能量基础转换电路介绍及仿真分析 8
3.1 OrCAD软件介绍 8
3.2 整流电路 9
3.3 滤波电路 13
3.4 DC-DC转换电路 17
3.6 本章小结 19
4 能量转换电路设计 20
4.1 电路主要芯片介绍 20
4.2 整流电路设计 24
4.3 DC-DC变换设计 25
4.4 系统转换电路设计 25
4.5 转换电路PCB板设计 26
4.6 转换电路原型实验展示 29
结论 31
致谢 32
参考文献 33
1 引言
1.1 前言
我们的日常生活中无时无刻不需要消耗能源，可以说人类的衣食起居已离不开能源，科技的进步、经济的腾飞以及和谐社会的构建都需要大量能源作为重要基石。然而，伴随着人类社会的高速发展，能源资源的大量1不合理开采，地球资源如煤炭、石油和天然气已面临极限匮乏的状况，而且大量消耗化石能源资源，对生态环境造成无法复原的破坏，近年来的雾霾、温室效应以及物种灭绝都与长期无节制使用化石能源有着极大的关系。此外，就石 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
油等能源资源的争夺而引起的矛盾冲突已严重影响世界和平发展趋势，甚至爆发冲突和战争，威胁国际安全局势，影响国际格局。故此，寻找绿色清洁可再生能源，成为人类社会长期发展的关键举措。
目前，太阳能、氢能等可再生、无污染的清洁能源的开发、利用成为能源危机和环境保护问题的金钥匙[1]。尽管新能源安全、清洁、成本低，有的技术发展的成熟，但一旦发生事故，它会对人体、环境产生巨大的危害。新能源的分布不均、受到地理环境条件制约和危险系数较高等原因也困扰着人类对能源的需求。例如2011年日本关东大地震所引发的福岛核泄漏事故，不仅震动了日本人，更震动了全世界，造成了惨痛的代价，迫使许多国家重新思考制定的能源发展计划，也引发了人们对世界的能源发展战略进行重新研究检讨。因此，尽量收集在我们日常生活存在的能量以提高整体能源系统的使用效率，具有特别重要的意义，与此同时，在我们的周围有着无除不在的低频振动能量，研究振动能量转换电路不仅减少振动带来的不便，也可充分采集使用这些振动能量。
1.2 课题的背景及意义
近些年，无线传感器网络与微机电系统技术的发展受到了广泛的关注[2]。大量微电子设备已应用在包括构建民用基础设备的状态检测、坏境控制、智能家庭以及国家安全等系统中。然而，相对常规电池而言，器件数目的增加以及尺寸的缩小使得高效的电源对此微系统的供电显得格外重要。因此，要将此类微电子设备及系统付诸实现，首先需要面临问题是解决器件及系统的供能问题。
与一般传统器件或系统而言，植入式器件需要依靠自身的供能来持续工作。然而，若在微系统上安装常规电池，将增大整体系统的体积及重量，更为重要的是常规电池
提供的电能时间短，对环境造成严重的污染。低功耗电子设备设计加工技术的迅猛发展，降低了供电系统的要求。事实上，集成电路技术的进步使其特征尺寸不断缩小，集成电路的供电要求不断降低。使得利用周围环境中的振动能量实现电能转换、为微器件或系统提供和补充电能的设想逐步成为现实。
机械振动能可以通过电磁转换、压电转换、静电转换等进行电能转换[3]。其中，电磁式振动能量转换的应用具有更为广阔的前景，这是由于它的感应频率高，可应用于极端环境中，且不需要额外的电源。
1.3 振动能量收集发电技术的研究现状
1.3.1 电磁发电技术的研究现状
1997年英国谢菲尔德大学的研究人员首次创造出了能量转换微器件。器件的上方由含有弹簧质量块的砷化镓圆片组成，当受到来自外部的振动作用时，弹簧质量块产生垂直振动，基座由包含平面线圈的硅圆片构成，因振动相位与基座相异，磁块与线圈产生相对运动。经过试验，输出功率远小于理论值，并且谐振频率较大[4]。
图1-1 谢菲尔德大学研究的电磁发电器截面图
中国香港中文大学的研究人员在2000年将一种由钦铁硼磁体放置在由螺旋铜弹簧由激光微加工的磁体结构。实验结果显示螺旋弹簧具有双倍的位移。此后，研究人员对螺旋弹簧进行了优化，在谐振频率110Hz下，激励振幅为200μm，相当于95.5m/s2的激励信号，原器件的输出最大电压为4.4V，最大输出功率达830μW。
2005年Barcelona大学研发小组将钦铁硼磁体和聚酰亚胺薄膜键合，构成弹簧、质量块一体系布局，可是，因器件的寄生阻尼远远大于电磁阻尼，所以无法实现最大的输出功率。经过改进，如图1-2所示，改进后的装置在振幅为5μm、共振频率为380Hz，加速度为29m/s2的信号下，输出功率为55μW。
图1-2 Barcelona改进后的电磁发电器
2012 年南京航空航天大学邵玮等人提出利用 Halbach 永磁体阵列作为电磁式振动能量采集结构。该结构由蛇形铜平面弹簧作为采集振动结构，弹簧下连接质量块，并且在四个质量块粘帖有四组Halbach 永磁阵列，并固定了四组线圈。该结构体积大约为 5cm×5cm×3cm，实验得出输出电压约 175mV。
1.3.2 复合式能量收集发电技术的研究现状
为了提高系统性能、收集更多的有效能量，研究人员提出复合式能量收集技术。这种技术可以从如太阳能、风能、地热能及振动能两个或者多个能量源收集能量，也可以为起到相互补充的作用，从同一个系统集合两种不同的收集方法。其中因机电耦合系数较高，无需驱动电能等优点，电磁和压电能量收集机制相结合发电的系统受到了更多的关注，不少国内外研究人员已经设计出相关模型。
美国 Columbia 大学的研究小组开发了一种从敲打键盘的振动中收集能量的新颖器件[6]，该器件运用了压电及电磁双重转换原理[5]。研究小组设计了可以连接到电脑键盘的原型器件，经过实际试验，压电收集装置能够发出的峰值功率为 40.8μW，与此同时，电磁收集部分的输出峰值功率大约 1.15μW。同时，研究小组还指出如果将此微机械振动能量收集系统制以数组的方式安装在键盘上可明显的提高电能输出功率。
美国Huang Jian-kang等研究人员开发了Ter-fenol-D/PZT/Terfenol-D多模式能量收集原件，他们将压电器件和磁致伸缩器件复合起来，在频率为30Hz，0.5g加速度的激励条件下实验，获得的输出功率大于10mW
3.2 整流电路
整流电路是现代电力电子应用最多的电路之一，它将交流电能变换成直流电能，应用十分广泛，电路种类很多，各具特色，分类方式很多。本文根据需要主要介绍桥式电路和倍压电路。
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