[发明专利]一种基于压电效应的低频低损耗能量管理芯片

说明书

技术领域

本发明属于能量、电源、微电子技术领域，涉及一种能量管理芯片，它从压电元件收集振动能量，通过能量管理，为微功率设备提供稳压电源的一种芯片。

背景技术

在过去的十年里，归功于能量转化与低功耗电子学的进步，能量收集器的研究和应用日益广泛，最为突出的例子是为无线传感网络供电。它的主要瓶颈是各个节点的供电问题。目前，环境中存在多种形式的能量，其能量密度如表1所示。

表1环境中能量密度

能源能量密度太阳能（户外）15000uW/cm³太阳能（户内）10uW/cm³振动（压电）250uW/cm³温差（10℃温度梯度）40uW/cm³噪声（100分贝）960nW/cm³

其中，振动能-电能的基本转化方式有三种，分别是电磁转化，静电转化和压电转化。在上述三种基本转化中，压电转化越来越被许多研究人员所关注。

在压电收集接口电路方面，通常有三种形式。

1.标准接口，加入AC-DC整流电路和电容使得直流电压平整化。传统的AC-DC电路是由4个二极管构成的整流电路。一般二极管的压降在0.7V左右，即便是肖特基二极管（SBD）的压降也有0.2V左右。在微能量或纳能量技术，二极管压降所消耗的损耗相对是比较大的。

2.同步电荷提取电路（SECE）。这种电路通常由整流电桥和DC-DC变换器构成，它能够快速的提取电能，并且与压电的振动保持同步，收集的能量相对AC-DC电路较多，特点是负载的输出功率不随负载阻抗的变化而变化。

3.同步开关电感电路（SSHI），它是2005年一位名叫Guyomar提出一种能量收集的非线性技术，它由开关器件和压电元件并联组成。开关器件由开关和电感构成。在换能器的最大处，开关闭合，压电元件的电容与电感组成振荡器，开关保持闭合直到压电元件的电压反向。这种非线性技术使得能量收集电路显著提升并适用于谐振结构。

在上述的三种常用的接口电路中，标准电路简单可靠，它的缺点是输出功率较低，只有在最优负载输出功率能达到最大；SECE电路的优点是负载的输出功率不随负载的变化而变化，缺点是设计相对复杂；SSHI电路能够收集较多的能量并适用于谐振结构，缺点是只有在最优负载输出功率能达到最大。

无论上述压电收集电路哪一种接口电路形式，它还要经过DC-DC变换才能使用。DC-DC变换器通常有两种方式，一是静电型，二是电感型。静电型也称电荷泵，利用电容传递能量和调节功率，电感型是利用电容存储能量，电感传递能量。

从国内外研究的角度，多数已开发的压电能量管理电路都基于相同的结构。首先通过整流电桥为电容充电；然后利用DC-DC变换器将能量提供给负载；通过调节电压和整体阻抗对功率进行优化。但是，通过优化能量管理电路来增加收集功率的研究工作还很少。