應用於無線感測網路之超低耗能無線微感測模組的設計與製作---子計畫二：超低耗能系統之智慧型電源管理(I)

Abstract

在現今的科技趨勢中可攜性裝置(potable device)大量為人們所需求，而提供可攜 式裝置的能量來源就變成非常的重要。如何能讓此能量來源能永續的產生，將成為一個 重要的課題。微機電系統是一種能把自然界的能量轉換成電能的系統，並且擁有非常理 想的可攜性，所以我們的研究將提出一個智慧型的直流電源轉換電路，把電源管理理論 實現於此永續操作的微機電系統中，使得此系統能夠在最有效率的情況下從外界綠色能 源中得到一個穩定的電源供應。而微機電發電機(the generator of micro-electro -mechanical systems) 將產生40V 的高電壓、約100 μW 左右的功率，我們可使用整流 器(rectifier)和直流-直流電源轉換器(DC-DC converter)有效率地轉換出所需要的穩 定輸出電壓。。同時，為了因應微機電發電機產生之高電壓，我們將以反馳式(Flayback) 轉換器為基礎，來設計本計畫所需之直流-直流電源轉換器。 考量永續操作系統需要高效率能量轉換(high efficiency)、低靜態電流(low quiescent current)、高系統整合(high system integration)、以及低雜訊干擾(low noise)因素之下，一般綠色能源系統都採用交換式直流-直流電源轉換器。雖然雜訊上 交換式設計比較大，但在系統電路設計中若採用抗雜訊設計則可減輕此高雜訊影響。因 此，本計畫的研究方向也將設計出極低雜訊(ultra-low noise)的交換式直流-直流電源 轉換器作為此永續操作系統電源轉換的基本架構。 本計畫要提出的是要建立一個智慧型電源管理理論，根據永續操作系統中數位訊號 處理的頻率和直流電源轉換電路中的調變的頻率之間變化關係、系統能源使用效率、負 載的變化、儲存能量的多寡、決定是在那一種調變技術操作，然而在交換式直流-直流 電源轉換器設計有脈波寬度調變PWM (pulse width modulation) 和脈波頻率調變PFM (pulse frequency modulation) 兩種方式。根據輸出負載電流的大小，切換調變方式 在脈波寬度調變或脈波頻率調變，當負載輕時操作在脈波頻率調變，負載重時操作在脈 表 C011 共 3 頁 第 1 頁 波寬度調變，使得電源轉換效率最佳化。再以flyback 的電路轉換操作，輸出最佳化的 0.9V 至1.6V 動態穩定電壓輸出，以確保由微機電發電機轉換至系統能量和多餘能量儲 存的功率管理效率的最佳化。