【摘要】：以可穿戴設備免維護自供電為應用背景,針對環(huán)境中普遍存在的射頻電磁波能量源和人體振動能量源,研究了穿戴式混合能量收集技術,包括振動能模塊、射頻能模塊、整流模塊、升壓模塊和儲能模塊的分析與設計。基于穿戴式的特點,提出了以柔性壓電材料PVDF為振動能傳感器,同時采用貼片天線作為射頻能量傳感器構成兩種能量共同收集的可穿戴式自供電系統(tǒng)。該設計思想突破了傳統(tǒng)單一能量來源的采集模式,有效增強了能量收集功率,擴展了能量收集的適應范圍。論文基于壓電理論和麥克斯韋電磁場理論,主要研究兩種能量收集器的結構模型與提升效率的優(yōu)化方法,設計了多種射頻能量收集天線與壓電結構模型;研究高效率能量轉換電路理論與設計方法,提出了一種低閾值整流電路結構,并進行設計與仿真;最后構建兩種能量的混合收集系統(tǒng),進行了測試與分析。具體設計與結論歸納如下:1.設計了兩種收集振動能量的壓電結構模型,一種是腳踩式結構,放置于鞋底。以2Hz模擬人行走狀態(tài)下對該結構進行測試。當空載情況下,該結構輸出電壓為4.13V;電阻大小為600kΩ時,電阻兩端的電壓為2.58V,輸出功率為11.093μW。另一個種為圓柱形結構,適用于關節(jié)彎曲處,以1Hz頻率手指彎曲,測得最大峰峰值輸出電壓為3.52V,當電阻大小為600kΩ時,以同樣的頻率彎曲振動,測得該電阻兩端的電壓為1.80V。此時壓電片輸出功率為5.4μW。2.設計了兩種射頻能量收集天線,一種是矩形內嵌式結構,放置于手機殼內或手機臂包中,仿真獲得最佳諧振頻率點為2.34GHz,實測為2.36GHz,天線對著空氣測試出環(huán)境中的射頻能為-30.80d Bm,約為0.83μW。當內嵌在手機殼內,則可以檢測到射頻能量為-17.67d Bm,約為17.1μW。另一種為環(huán)形腕帶式結構,仿真測得最佳諧振頻率點為2.37GHz,實測時沒有頻偏。天線對著空氣測試出環(huán)境中的射頻能為-32.82d Bm,約為0.52μW。當手機貼近時,則可以檢測到射頻能量為-18.94d Bm,約為12.76μW。3.設計了一種低閾值整流電路,包括整流電路設計、濾波電路、升壓電路設計。在整流電路的設計中,根據(jù)環(huán)境能力收集微弱性的特點提出采用低閾值整流電路,該電路最低輸入電壓為200m V,低頻時整流效率為64%,高頻整流效率為46.24%。升壓電路分為兩個部分:一個是環(huán)形振蕩器,一個是電荷泵升壓電路。利用環(huán)形振蕩器提供1k Hz的振蕩頻率,其靜態(tài)電流為2.84n A,消耗功率為452p W。進一步設計升壓電路,由此設計一種四級兩路電荷泵電路,當輸入電壓為200m V時,輸出電壓達到970m V,儲能電容上的平均功率為1.14μW,紋波范圍為±0.5%。轉換率約為10%左右。4.構建混合能量收集系統(tǒng),利用HSMS2852制作整流橋,而后添加超級電容器。將圓柱式壓電片與內嵌式天線結構相串聯(lián),經(jīng)測試,系統(tǒng)輸出電壓可達到1.663V,輸出功率最高為2.77m W。將踩踏式壓電與圓環(huán)式天線結構相串聯(lián),經(jīng)測試,該系統(tǒng)輸出電壓可達1.36V,輸出功率為1.84m W。實驗驗證,設計的系統(tǒng)可以滿足低功耗穿戴式設備的自主供電需求。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM619

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 潘yN雯;白雪;趙文祥;徐雷鈞;;基于環(huán)境微弱能量收集的低閾值CMOS電路設計[J];半導體技術;2016年12期

2 陳虹;賈晨;劉鳴;王志華;;植入關節(jié)內壓電陶瓷供能研究[J];壓電與聲光;2008年01期

相關博士學位論文 前2條

1 崔暖洋;壓電發(fā)電機與摩擦電發(fā)電機對環(huán)境中微弱機械能的收集[D];蘭州大學;2015年

2 唐剛;基于壓電厚膜的MEMS振動能量采集器研究[D];上海交通大學;2013年

相關碩士學位論文 前1條

1 馮桂榮;微波無線能量傳輸系統(tǒng)的研究[D];西安電子科技大學;2014年

，

本文編號：2578137