基于压电转换自供电系统及其在RFID上应用

1、基于压电转换的自供电系统及其在RFID上的应用 姓名：刘旭 专业：农业电气化与自动化 导师：张铁民 教授2009年5月27日2.研究现状3.系统设计与实现4.实验测试及分析5.结论与讨论主要内容1.压电发电介绍压电转换简介压电转换简介1.压电转换介绍(1)(1)原理原理(2)(2)特点特点(3)(3)目的及意义目的及意义(4)(4)研究内容研究内容2.国内外研究及发展现状压电发电鞋 压电式袖珍风车 压电式视线导航标识 压电无线开关 应用现状研究现状研究现状（1 1）基本能量回收电路）基本能量回收电路（2 2）电路中加入线性）电路中加入线性DC-DCDC-DC（3 3）线性）线性DC-DCDC-

2、DC改为开关改为开关DC-DCDC-DC目的：提高能量转换效率目的：提高能量转换效率2.国内外研究及发展现状(1)基本能量回收电路(2)电路加入线性DC-DC研究现状研究现状2.国内外研究及发展现状研究现状研究现状3.降压式开关DC-DC吉林大学吉林大学西安交通大学，西安交通大学，20052005研究现状研究现状( (国内国内) )2.国内外研究及发展现状系统总体方案设计3.3.系统设计与实现系统设计与实现3)3)基于基于nRF2401nRF2401的的RFIDRFID通信系统设计通信系统设计 2)RFID2)RFID自供电系统的设计自供电系统的设计 1)1)压电转换及能量存储控制系统设计压电

3、转换及能量存储控制系统设计 主要内容3.3.系统设计与实现系统设计与实现1)1)压电转换及能量存储控制系统设计压电转换及能量存储控制系统设计- -硬件部分硬件部分 铜铜制制薄薄圆圆板板压压电电陶陶瓷瓷薄薄板板a ab b均均布布简简谐谐激激励励金属钹盖金属钹盖压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环金属钹盖金属钹盖压电陶瓷圆环压电陶瓷圆环黏贴层黏贴层压电陶瓷极化方向压电陶瓷极化方向均布简谐力均布简谐力薄圆板结构 钹盖结构 (1)(1)压电转换模块压电转换模块(2)(2)整流稳压滤波整流稳压滤波电容的作用：电容的作用：(1)(1)滤波滤波(2)(2)初级电能存储初级电能存储1)1)压电转换及能量存储控制系统设计

4、压电转换及能量存储控制系统设计- -硬件部分硬件部分 (3)(3) DC-DCDC-DC模块模块-Buck-Buck电路电路1) Buck电路工作原理及选择原因；2) CCM模式和DCM模式选择 DCM模式下DC-DC工作时间短；3) 在不用DC-DC时需要关闭DC-DC电路低功耗要求；1)1)压电转换及能量存储控制系统设计压电转换及能量存储控制系统设计- -硬件部分硬件部分 (3)(3) DC-DCDC-DC模块模块-MAX639-MAX639VF BVo u tV+L B OGNDL B IS HDNL XMAX6 3 91 0 0 u FC 12 2 0 u HLd 11 N9 1 41

5、 0 0 u FC 25 v - 1 1 Vp u l s eMAX639的开关DC-DC等效电路MAX639产生+5V输出电路原理图 1)1)压电转换及能量存储控制系统设计压电转换及能量存储控制系统设计- -硬件部分硬件部分 (4)(4) 电源管理模块电源管理模块CD3 .6 VB T+ 5 V能量存储装置图能量存储装置图 C C： 超级电容超级电容BTBT：镍氢可充电电池：镍氢可充电电池1)1)压电转换及能量存储控制系统设计压电转换及能量存储控制系统设计- -硬件部分硬件部分 普通电容/超级电容/可充电电池的比较 (4)(4) 电源管理模块电源管理模块1)1)压电转换及能量存储控制系统设计

6、压电转换及能量存储控制系统设计- -硬件部分硬件部分 L B OV s e ts e n c eV o u tL B IG N DV inS H D NM A X 6 6 61 .3 MR 21 MR 11 .3 MR 31 MR 4in p u to u tp u tlo w b a tte r y o u tp u tMAX666MAX666电压调节输出及低电量检测原理图电压调节输出及低电量检测原理图 (4)(4) 电源管理模块电源管理模块-MAX666-MAX6661)1)压电转换及能量存储控制系统设计压电转换及能量存储控制系统设计- -硬件部分硬件部分 (4)(4) 超低功耗控制器超低

7、功耗控制器-MSP430F149-MSP430F1491)MSP430F149工作方式2)MSP430F149作用1)1)压电转换及能量存储控制系统设计压电转换及能量存储控制系统设计- -硬件部分硬件部分 1)1)压电转换及能量存储控制系统设计压电转换及能量存储控制系统设计- -软件部分软件部分 主程序流程图 系统充电程序设计流程图系统充电程序设计流程图1)1)压电转换及能量存储控制系统设计压电转换及能量存储控制系统设计- -软件部分软件部分 2)RFID2)RFID自供电系统的设计自供电系统的设计- -硬件设计硬件设计 静态工作电流为12uA，典型工作电流10.5mA；(2) PWR_UP、

8、CE、CS配置四种工作 模式模式；(3) CLK1、DATA配置字; (4) ShockBurstTM收发模式 2)RFID2)RFID自供电系统的设计自供电系统的设计- -软件设计软件设计 ShockBurstTM发送模式 ShockBurstTM接收模式 nRF2401nRF2401自供电系统框图自供电系统框图 2)RFID2)RFID自供电系统的设计自供电系统的设计3)3)基于基于nRF2401nRF2401的的RFIDRFID通信系统设计通信系统设计- -硬件部分硬件部分 基于基于nRF2401nRF2401的的RFIDRFID通信系统框图通信系统框图 自供电电子标签实物图自供电电子标

9、签实物图3)3)基于基于nRF2401nRF2401的的RFIDRFID通信系统设计通信系统设计- -硬件部分硬件部分 阅读器实物图阅读器实物图3)3)基于基于nRF2401nRF2401的的RFIDRFID通信系统设计通信系统设计- -硬件部分硬件部分 3)3)基于基于nRF2401nRF2401的的RFIDRFID通信系统设计通信系统设计- -软件部分软件部分 阅读器程序流程阅读器程序流程电子标签程序流程电子标签程序流程设计中的低功耗考虑设计中的低功耗考虑- -硬件上硬件上 (1) 使用低功耗电子元器件。(2) MAX639最大静态工作电流为10uA；(3) MAX666最大静态工作电流为

10、12uA；(4) 初级存储电容C1为低等效阻抗电容器，超级 电容等效阻抗低；(5) 控制器MSP430F149平均工作电流为33.83uA；(6) RFID通信模块的平均工作电流为976.89uA; 平均电流分析所得根据电容C1的充电电压，DC-DC在控制器的控制下工作在休眠、唤醒模式；在DC-DC没有工作任务时处于休眠状态；基于压电转换的自供电系统低功耗(流程图见下页)；(4)RFID通信系统低功耗(流程图见下页)。 设计中的低功耗考虑设计中的低功耗考虑- -软件上软件上 系统低功耗程序流程图 基于nRF2401的RFID通信系统低功耗程序流程图 4.实验测试分析激振装置实物图激振装置实物图

11、 实验一实验一 压电发电能力测试压电发电能力测试 (a)薄圆板结构在50Hz激振器激励下(b)薄圆板结构在手动激励下(c)钹盖结构在50Hz激振器激励下1. (a)输出功率约为1.8mW (b)输出功率约为0.6mW (c)输出功率约为3.3mW 2. 激振频率影响大；钹盖结构发电能量强，不易碎实验二实验二 初级存储电容电容初级存储电容电容C1C1充电过程测试充电过程测试 C1的电压上升至7V所用时间约为30s 实验三实验三初级存储电容初级存储电容C1C1充充/ /放电过程及放电过程及MSP430F149MSP430F149控制时序测试控制时序测试 红色电容充/放电波形蓝色 MSP430F14

12、9控制脉冲实验五实验五 DC-DCDC-DC稳压工作性能测试稳压工作性能测试 负载负载1010欧欧-100-100欧变化欧变化输入电压输入电压5v-10v5v-10v变化变化实验六实验六 电源管理模块性能测试电源管理模块性能测试 输入电压输入电压3v-4.5v3v-4.5v变化变化实物录像实物录像(1) 本论文将系统分成六大功能模块分别进行设计。实现了压电自供电及在RFID上应用的基本功能。(2) 本设计中的压电复合振子在50Hz激振频率下，薄圆板结构能输出功率约为1.8mW；钹盖结构输出功率约为3.3mW。(3) 控制器实时检测初级存储电容C1的电压，在C1的电压上升到7V及以上时，控制器输出高电平开启DC-DC；在C1电压下降至5V及以下时，控制器输出低电平关闭DC-DC。(4) DC-DC稳压输出电压，波动在2以内；DC-DC的休眠唤醒模式使系统功耗尽可能降低。在休眠模式下，DC-DC的静态工作电流仅为10uA。5.结论与讨论结论结论(5) 本设计建立了初步的电源管理系统。(6)