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

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。微機電發電機(the generator of microelectromechanical systems) 所產生的能量大約是在100μ w 的範圍，我們可以使用整流器 (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。 目前直流-直流電源轉換器的設計方式有交換式直流-直流電源轉換器、整流式電荷灌入式 (regulated charge pump)。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，此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，然則在交換式直流-直流電源轉換器設計上有脈波寬度調變 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，負載重時操作在脈波寬度調變，使得電源轉換效率最佳化。再以Buck 或Boost 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。