一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生物信息檢測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)

壓電晶體充電等效電路如圖3所示。L1是匹配電路的初級(jí)電感，I1是流入初級(jí)電感的電流，L2是次級(jí)電感，I2是流出次級(jí)電感的電流，M為互感，C2為次級(jí)電容，Iin是流入整流電路的電流，Vin是整流前C2兩端電壓，I是流入儲(chǔ)能電容的電流，Vrest是儲(chǔ)能電容兩端點(diǎn)電壓，Cst為總儲(chǔ)能電容，由于Cst的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C2，因此Vrest在每個(gè)充電周期里是固定不變的。從能量源的角度出發(fā)，壓電材料等效為交流電流源，Ip和等效電容Cp并聯(lián)。
2．3 能量轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
通常使用的電源電壓是直流電，而壓電振子輸出的是一種交流電，不能直接作為供電電源，這就需要設(shè)計(jì)相關(guān)的整流濾波電路，將壓電材料振動(dòng)產(chǎn)生的交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓，經(jīng)濾波得到平滑的直流電壓。

本系統(tǒng)采用能量利用效率較高的橋式全波整流電路，如圖4所示。D3～D6構(gòu)成橋式整流電路，4個(gè)二極管輪流工作，Vac正半周時(shí)，D4和D6導(dǎo)通；Vac負(fù)半周時(shí)，D3和D5導(dǎo)通。當(dāng)I2對(duì)C2(圖3)進(jìn)行充電時(shí)，C2兩端電壓上升，C2兩端電壓升高到Vrest時(shí)，整流二極管導(dǎo)通，C2兩端電壓被鉗位到Vrest，I2通過整流二極管對(duì)Cst進(jìn)行充電；當(dāng)整流二極管均截止時(shí)，C2對(duì)前端進(jìn)行放電。但此時(shí)輸出的電壓是脈動(dòng)的，含有較大的紋波，必須通過濾波加以消除，才能得到平滑的直流電壓。該電路中采用470μF電容進(jìn)行濾波，保證電路中電壓和電流的穩(wěn)定。當(dāng)輸出電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，該電路具有很好的穩(wěn)壓性能。
2．4 儲(chǔ)能電路設(shè)計(jì)
超級(jí)電容作為一種新型的電力儲(chǔ)能元件，既具有靜電電容器的高放電功率優(yōu)勢(shì)，又像電池一樣具有較大的電荷儲(chǔ)存能力。同時(shí)，超級(jí)電容還具有循環(huán)壽命長、功率密度大、充放電速度快、高溫性能好、容量配置靈活、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
本系統(tǒng)采用SU2400P-0027V-1RS超級(jí)電容設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能模塊，其額定容量為300 F，額定電壓為2．7 V，具有較高的功率比、能量比和較低的等效串聯(lián)電阻，其工作原理如圖5所示。當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，極板的正電極存儲(chǔ)正電荷，負(fù)極板存儲(chǔ)負(fù)電荷，在超級(jí)電容器的兩極板上電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，以正負(fù)電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，形成雙電荷分布層，因此電容量非常大。當(dāng)兩極板間電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液界面上電荷不會(huì)脫離電解液，超級(jí)電容器為正常工作狀態(tài)(通常為3 V以下)，如電容器兩端電壓超過電解液的氧化還原電極電位時(shí)，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。隨著超級(jí)電容器放電，正、負(fù)極板上的電荷被外電路釋放，電解液界面上的電荷響應(yīng)將減少。由此可以看出，超級(jí)電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)，因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的可充電電池是不同的。

2．5 DC-DC升壓電路
DC-DC升壓電路選擇MC34063，其性價(jià)比高，效率高。如圖6所示，輸入電壓Vin是2．5～40 V，輸出電壓V1是5V。