一種基于無線傳感器網絡的生物信息檢測系統節點電源設計

壓電晶體充電等效電路如圖3所示。L1是匹配電路的初級電感，I1是流入初級電感的電流，L2是次級電感，I2是流出次級電感的電流，M為互感，C2為次級電容，Iin是流入整流電路的電流，Vin是整流前C2兩端電壓，I是流入儲能電容的電流，Vrest是儲能電容兩端點電壓，Cst為總儲能電容，由于Cst的值遠遠大于C2，因此Vrest在每個充電周期里是固定不變的。從能量源的角度出發，壓電材料等效為交流電流源，Ip和等效電容Cp并聯。
2．3 能量轉換電路設計
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，這就需要設計相關的整流濾波電路，將壓電材料振動產生的交流電壓變為脈動的直流電壓，經濾波得到平滑的直流電壓。

本系統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構成橋式整流電路，4個二極管輪流工作，Vac正半周時，D4和D6導通；Vac負半周時，D3和D5導通。當I2對C2(圖3)進行充電時，C2兩端電壓上升，C2兩端電壓升高到Vrest時，整流二極管導通，C2兩端電壓被鉗位到Vrest，I2通過整流二極管對Cst進行充電；當整流二極管均截止時，C2對前端進行放電。但此時輸出的電壓是脈動的，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電容進行濾波，保證電路中電壓和電流的穩定。當輸出電壓在一定范圍內變化時，該電路具有很好的穩壓性能。
2．4 儲能電路設計
超級電容作為一種新型的電力儲能元件，既具有靜電電容器的高放電功率優勢，又像電池一樣具有較大的電荷儲存能力。同時，超級電容還具有循環壽命長、功率密度大、充放電速度快、高溫性能好、容量配置靈活、免維護等優點。
本系統采用SU2400P-0027V-1RS超級電容設計了儲能模塊，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電阻，其工作原理如圖5所示。當外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器的兩極板上電荷產生的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上，以正負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。當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(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，電解液將分解，為非正常狀態。隨著超級電容器放電，正、負極板上的電荷被外電路釋放，電解液界面上的電荷響應將減少。由此可以看出，超級電容器的充放電過程始終是物理過程，沒有化學反應，因此性能是穩定的，與利用化學反應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。