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CN101894988B - 一种mems复合微能源系统电源 - Google Patents

一种mems复合微能源系统电源 Download PDF

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Abstract

一种MEMS复合微能源系统电源包括MEMS微型直接甲醇燃料电池、MEMS微型太阳能电池、MEMS微型超级电容器单元、超低功耗温度传感器LM75B、微处理器ATmega168p、电源管理芯片MAX1586B和外壳，超低功耗温度传感器LM75B紧贴在MEMS微型直接甲醇燃料电池上；MEMS微型直接甲醇燃料电池与电源管理芯片MAX1586B的主电源管脚连接，MEMS微型太阳能电池与电源管理芯片MAX1586B的备用电源管脚连接，MEMS微型直接甲醇燃料电池和MEMS微型超级电容器单元并联连接，电源管理芯片MAX1586B与8位AVR系列微处理器ATmega168p连接。本发明将多种不同类型的MEMS微能源复合到一个电源模块中，整体提高了MEMS微能源的工作性能和稳定性；提供多个标准输出；具有轻巧便携，使用寿命长占用空间小，系统自身功耗低；绿色环保，可重复利用的特点。

Description

一种MEMS复合微能源系统电源
(一)技术领域
本发明涉及MEMS微能源领域，具体涉及一种MEMS复合微能源系统电源。
(二)背景技术
性能优越体积小是MEMS微能源最大的特点，如果单独对一种MEMS微能源进行电源管理，无法做到优点的最大发挥和缺点的最大限制，若将多种MEMS微能源复合成为一个整体系统并对其进行有效地电源管理，将会起到彼此优缺点互补的效果。MEMS微型燃料电池、MEMS微型太阳能电池、MEMS微型超级电容器单元、MEMS微型同位素电池、MEMS微型发电机、MEMS微型热电池等，作为微型便携式能源，都有其内在的优势。MEMS微型燃料电池有较高的比能量和能量转化效率是其最大的优点；MEMS微型太阳能电池结构简单、无污染是人们感兴趣的主要原因；MEMS微型超级电容器单元寿命长、可提供瞬时大电流得到人们的亲睐，其它类型的MEMS微能源也都具有自身的优点。但是，每一种类型的微型能源也同时存在着不可而避免的缺点，如果将不同类型的MEMS微能源联合起来相互协调为外界提供电源，既能相互弥补彼此的缺点也能进一步优化彼此的优点，做到资源的最佳配置，构成一个超低功耗、小体积、高可靠性的电源模块。此电源模块能量密度高可以在恶劣的环境中正常使用，非常适用于便携式电子产品、单兵电台夜视仪、微型传感器、微型执行器等小型电子设备，是目前最有可能取代传统能源的新能源之一。该设计作为便携式能源的复合微能源系统，并不是将不同类型的MEMS微能源简单的串并联，目前对复合微能源系统的研究主要存在以下问题：
(1)不同类型的MEMS微能源的工作特点和输出特性具有很大差异，因此复合之前需要专用电路对其调整。
(2)MEMS微型燃料电池在工作过程中会产生大量的热，不仅影响微型燃料电池本身的工作性能，而且对整个复合系统造成不必要的影响。
(3)MEMS微能源由于有效工作体积微小，输出功率相对于普通电源要小，因此电源管理电路必须要求超低功耗。
(4)传统的便携式电源模块输出固定，不利于同一电源模块的多重复用，因此需要设计低功耗的电路实现多路标准电压输出。
(5)传统的电源模块会对环境造成危害，而且没有循环利用性。
(三)发明内容
本发明的目的是提供利一种采用超低功耗微处理器、超低功耗可编程多功能电源管理芯片、超低功耗温度传感器以及其他相关器件，对两种以上不同类型的MEMS微能源进行有效的电源管理，电源模块内部采用温度传感器实时温度检测，整体提高了MEMS微能源的工作性能和稳定性，具有可循环利用性的一种复合微能源系统电源。
本发明的目的是这样实现的：包括MEMS微型直接甲醇燃料电池、MEMS微型太阳能电池、MEMS微型超级电容器单元、超低功耗温度传感器LM75B、8位AVR系列微处理器ATmega168p、电源管理芯片MAX1586B和外壳，外壳为长方体形状，MEMS微型直接甲醇燃料电池和MEMS微型超级电容器单元安装在外壳内部，MEMS微型直接甲醇燃料电池安装在靠近外壳右面侧壁，超低功耗温度传感器LM75B紧贴在MEMS微型直接甲醇燃料电池上；外壳的右面侧壁上设置有散热窗，外壳上方设置有过液/缺液LED指示灯和注液口，注液口与MEMS微型直接甲醇燃料电池连接，外壳的正面设置有标准输出调节器，外壳的左面侧壁上设置有标准输出接口，MEMS微型太阳能电池安装在MEMS微型超级电容器单元上方的外壳上，MEMS微型直接甲醇燃料电池与电源管理芯片MAX1586B的主电源管脚连接，MEMS微型太阳能电池与电源管理芯片MAX1586B的备用电源管脚连接，MEMS微型直接甲醇燃料电池和MEMS微型超级电容器单元并联连接，电源管理芯片MAX1586B与标准输出调节器连接，标准输出调节器与标准输出接口连接，电源管理芯片MAX1586B与8位AVR系列微处理器ATmega168p连接，8位AVR系列微处理器ATmega168p分别与过液/缺液LED指示灯、超低功耗温度传感器LM75B连接，8位AVR系列微处理器ATmega168p和电源管理芯片MAX1586B焊接在电路板上。
本发明另外还具有如下特点：
1、所述的MEMS微型燃料电池主要负责为外界负载供电，以及光照强度不足的情况下为系统自身以及外界负载供电；电源输出选择常开输出电源作为系统自身供电电源，选择出厂预设的3.3V、2.5V作为输出和0.75V-1.4V范围0.025V为分辨率的可编程动态电压输出。
2、所述的超低功耗温度传感器为LM75B，超低功耗温度传感器LM75B还连接有LED温度指示灯。
3、所述的电源管理芯片MAX1586B通过I2C总线与8位AVR系列微处理器ATmega168p进行数据通信。
4、所述的MEMS微型直接甲醇燃料电池作为主要供电电源，MEMS微型太阳能电池作为辅助电源。
5、所述的MEMS微型超级电容器单元包括2个MEMS微型超级电容器和平衡保护电路，2个MEMS微型超级电容器串联连接，平衡保护电路与串联后的2个MEMS微型超级电容器并联连接。
本发明的优点在于：
(1)将两种或者更多不同类型的MEMS微能源复合到一个电源模块中，根据各自特点设计不同环境下的工作方式。
(2)电源模块内部采用温度传感器实时温度检测，整体提高了MEMS微能源的工作性能和稳定性；
(3)改变了传统便携式电源单一输出现状，提供多个标准输出；
(4)轻巧便携，使用寿命长；
(5)占用空间小，系统自身功耗低；
(6)绿色环保，可重复利用。
(四)附图说明
图1为MEMS复合微能源系统电源外壳示意图；
图2为MEMS复合微能源系统电源内部各器件布局俯视图；
图3为MEMS复合微能源系统电源内部各器件布局侧视图
图4防尘式散热窗示意图；
图5电源管理芯片与微处理器连接图；
图6为MEMS复合微能源系统电源原理框图；
其中1、MEMS微型太阳能电池，2、标准输出接口，3、外壳，4、标准输出调节器，5、过液/缺液LED指示灯，6、注液口，7、散热窗，8、MEMS微型直接甲醇燃料电池，9、MEMS微型超级电容器单元，10、超低功耗温度传感器LM75B，11、电路板，12、平衡电路单元，13、MEMS微型直接甲醇燃料电池，14、MEMS微型超级电容器单元，15、LED温度指示灯，16、超低功耗温度传感器LM75B，17、MEMS微型太阳能电池，18、电源管理芯片MAX1586B，19、8位AVR系列微处理器ATmega 168p，20、标准输出调节器，21、标准输出接口，22、过液/缺液LED指示灯，23、LED温度指示灯。
(五)具体实施方式
根据附图进一步说明：
包括MEMS微型直接甲醇燃料电池、MEMS微型太阳能电池、MEMS微型超级电容器单元、超低功耗温度传感器LM75B、8位AVR系列微处理器ATmega168p、电源管理芯片MAX1586B和外壳，外壳为长方体形状，MEMS微型直接甲醇燃料电池和MEMS微型超级电容器单元安装在外壳内部，MEMS微型直接甲醇燃料电池安装在靠近外壳右面侧壁，超低功耗温度传感器LM75B紧贴在MEMS微型直接甲醇燃料电池上；外壳的右面侧壁上设置有散热窗，外壳上方设置有过液/缺液LED指示灯和注液口，注液口与MEMS微型直接甲醇燃料电池连接，外壳的正面设置有标准输出调节器，外壳的左面侧壁上设置有标准输出接口，MEMS微型太阳能电池安装在MEMS微型超级电容器单元上方的外壳上，MEMS微型直接甲醇燃料电池与电源管理芯片MAX1586B的主电源管脚连接，MEMS微型太阳能电池与电源管理芯片MAX1586B的备用电源管脚连接，MEMS微型直接甲醇燃料电池和MEMS微型超级电容器单元并联连接，电源管理芯片MAX1586B与标准输出调节器连接，标准输出调节器与标准输出接口连接，电源管理芯片MAX1586B与8位AVR系列微处理器ATmega168p连接，8位AVR系列微处理器ATmega168p分别与过液/缺液LED指示灯、超低功耗温度传感器LM75B连接。所述的MEMS微型燃料电池主要负责为外界负载供电，以及光照强度不足的情况下为系统自身以及外界负载供电；电源输出选择常开输出电源作为系统自身供电电源，选择出厂预设的3.3V、2.5V作为输出和0.75V-1.4V范围0.025V为分辨率的可编程动态电压输出。所述的超低功耗温度传感器为LM75B，超低功耗温度传感器LM75B还连接有LED温度指示灯。所述的电源管理芯片MAX1586B通过I2C总线与8位AVR系列微处理器ATmega168p进行数据通信。所述的MEMS微型直接甲醇燃料电池作为主要供电电源，MEMS微型太阳能电池作为辅助电源。所述的MEMS微型超级电容器单元包括2个MEMS微型超级电容器和平衡保护电路，2个MEMS微型超级电容器串联连接，平衡保护电路与串联后的2个MEMS微型超级电容器并联连接。
当外界光照强度相对充足且能使MEMS微型太阳能电池产生满足系统自身，包括给MEMS超级电容器充电，及外部负载的电压要求时，则此系统输出及系统自身供电全部由MEMS微型太阳能电池提供，此时MEMS微型燃料电池通路处于关闭状态。随着外界光照强度慢慢减弱，MEMS微型太阳能电池产生的电量逐渐减少，或者由于外部负载的增大致使电压下降，当降低到某一设定值时，超低功耗可编程多功能电源管理芯片和超低功耗微处理器通信，接通MEMS微型燃料电池作为供电电源，此时系统输出及系统自身供电全部由MEMS微型燃料电池提供。当外界光照强度再次满足要求时，供电电源由MEMS微型燃料电池转换为MEMS微型太阳能电池，依次循环。当两者都不能满足要求时，缺液指示灯点亮，提示查找相关原因。
MEMS微型燃料电池在工作过程中，电池内部由于电解质反应会引起温度升高，电池的性能逐渐提高，当温度达到60℃电池的性能最佳，温度继续升高性能开始下降。靠近MEMS微型燃料电池放置高灵敏度超低功耗温度传感器LM75B，温度高于设定值时超低功耗温度传感器的LED温度指示灯点亮。
MEMS微型超级电容可在额定电压下任意并联使用，但若需要串联才能满足要求，必须考虑其均压问题。另外，微型超级电容是有极性器件，在使用时必须注意其正负极的连接。为了避免在使用过程中因为操作失误而造成器件损坏，必须设计外部平衡保护电路协助MEMS微型超级电容器单元共同工作。
电源管理芯片MAX1586B具有2路电源输入、7路电源输出以及过压保护功能，包括主电源和备用电源输入、3路DC/DC电源输出、3路线性稳压电源输出和一路常开电源输出，其中有包括两路可编程电压输出。为了降低静态电流，电源管理芯片MAX1586B主要电源都具有旁路“休眠”LDO，在输出电流非常小的时候启动。此外，此模块还能够将各个电源进行独立的开/关转制、低电池电压和低电池失效检测、复位和电源就绪输出、备份电池输入。根据实际需求，将MAX1586B的电源输出进行选择保留，并根据所保留的电源输出，合理的设计外围电路，尽量去掉不必要的器件，最大限度的降低功率损耗，提高工作性能，充分利用自身的保护功能，避免遭受外部过高电压的冲击而造成器件损坏。
总之，MEMS微型太阳能电池能满足供电要求时，超低功耗微处理器选择其处于工作状态，同时为外部负载和自身系统供电。当其不能满足要求时，超低功耗微处理器选择MEMS微型燃料电池供电。也可以根据不同的应用对象选择相应的电压输出。当电源模块外部误接入大电源时，电源管理芯片MAX1586B的保护模块工作，切断输出电路。这样以来，就可以保证该复合微能源系统单周期工作时间达到最大值。
(1)按照图1的器件布局，可以达到有限空间上多层次利用，使此电源模块的体积达到最小。
(2)将MEMS微型超级电容器单元放置于MEMS微型燃料电池和电源管理电路之间，可有效地降低温度对电源管理电路性能的影响。
(3)针对MEMS微型燃料电池等发热微能源，采用防尘式设计散热窗，及时散发热量并防止灰尘的进入模块内部。
用微细精密加工技术制作复合微能源系统电源模块的多功能外壳设计方案，电源模块散热窗的设计方案，电源模块内部各器件的布局方式以及电源管理电路设计方案。

Claims (5)

1.一种MEMS复合微能源系统电源，其特征在于：包括MEMS微型直接甲醇燃料电池、MEMS微型太阳能电池、MEMS微型超级电容器单元、超低功耗温度传感器LM75B、8位AVR系列微处理器ATmega168p、电源管理芯片MAX1586B和外壳，外壳为长方体形状，MEMS微型直接甲醇燃料电池和MEMS微型超级电容器单元安装在外壳内部，MEMS微型直接甲醇燃料电池安装在靠近外壳右面侧壁，超低功耗温度传感器LM75B紧贴在MEMS微型直接甲醇燃料电池上；外壳的右面侧壁上设置有散热窗，外壳上方设置有过液/缺液LED指示灯和注液口，注液口与MEMS微型直接甲醇燃料电池连接，外壳的正面设置有标准输出调节器，外壳的左面侧壁上设置有标准输出接口，MEMS微型太阳能电池安装在MEMS微型超级电容器单元上方的外壳上，MEMS微型直接甲醇燃料电池与电源管理芯片MAX1586B的主电源管脚连接，MEMS微型太阳能电池与电源管理芯片MAX1586B的备用电源管脚连接，MEMS微型直接甲醇燃料电池和MEMS微型超级电容器单元并联连接，电源管理芯片MAX1586B与标准输出调节器连接，标准输出调节器与标准输出接口连接，电源管理芯片MAX1586B与8位AVR系列微处理器ATmega168p连接，8位AVR系列微处理器ATmega168p分别与过液/缺液LED指示灯、超低功耗温度传感器LM75B连接，8位AVR系列微处理器ATmega168p和电源管理芯片MAX1586B焊接在电路板上。
2.如权利要求1所述的一种MEMS复合微能源系统电源，其特征在于，所述的超低功耗温度传感器LM75B还连接有LED温度指示灯。
3.如权利要求1所述的一种MEMS复合微能源系统电源，其特征在于，所述的电源管理芯片MAX1586B通过I2C总线与8位AVR系列微处理器ATmega168p进行数据通信。
4.如权利要求1所述的一种MEMS复合微能源系统电源，其特征在于，所述的MEMS微型直接甲醇燃料电池作为主要供电电源，MEMS微型太阳能电池作为辅助电源。
5.如权利要求1所述的一种MEMS复合微能源系统电源，其特征在于，所述的MEMS微型超级电容器单元包括2个MEMS微型超级电容器和平衡保护电路，2个MEMS微型超级电容器串联连接，平衡保护电路与串联后的2个MEMS微型超级电容器并联连接。
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