無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、充電控制電路和鋰電池組成，采集光能并將其轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在鋰電池中。通過(guò)鋰電池充電管理芯片CN3063組成充電控制電路對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理。利用超低功耗鋰電池電壓檢測(cè)芯片CN301組成放電保護(hù)電路，最大限度地延長(zhǎng)鋰電池的壽命。由于電源能量來(lái)自太陽(yáng)能，因此非常適合野外布置的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)使用。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；鋰電池；充電管理芯片

引言
    電源是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，特別是對(duì)于野外布置的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，供電線(xiàn)路的鋪設(shè)難度較大，采用電池供電時(shí)需要定期更換電池，在一定程度上增加了系統(tǒng)維護(hù)的成本。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)不僅解決了野外長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人監(jiān)護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題，而且還具有供電持久、環(huán)保節(jié)能和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。
    太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是通過(guò)太陽(yáng)能電池板對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，同時(shí)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)充電電壓和充電電流，避免因過(guò)充而導(dǎo)致鋰電池永久性損壞；此外還需要設(shè)計(jì)鋰電池放電保護(hù)電路，對(duì)放電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止過(guò)放電導(dǎo)致鋰電池?fù)p壞。

1 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    太陽(yáng)能供電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、可充電鋰電池、充電控制器和放電保護(hù)電路組成。由于太陽(yáng)能電池板的輸出電壓不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)往往因?yàn)殇囯姵爻浞烹姽芾聿缓侠?，?dǎo)致鋰電池使用壽命大大縮短。本文提出了一種基于太陽(yáng)能的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)管理鋰電池的充電過(guò)程并進(jìn)行有效的能量?jī)?chǔ)存，通過(guò)對(duì)電池電壓的監(jiān)測(cè)避免鋰電池過(guò)度放電，以達(dá)到延長(zhǎng)鋰電池壽命的目的。此外由于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所需電壓為3．3 V，而鋰電池的工作電壓一般在3．6～4．2 V(正常放電電壓為3．7 V，充滿(mǎn)電時(shí)的電壓為4．2 V)，所以需要DC-DC轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生所需要的工作電壓。
    對(duì)于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而言，首先要考慮的是低功耗。這里選用TI公司推出的完全兼容ZigBee2007協(xié)議的SoC芯片CC2530，其工作電壓是3．3 V。綜合考慮上述因素，提出如圖1所示的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)總體示意圖。

    該系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量通過(guò)充電管理電路被存儲(chǔ)在鋰電池中，同時(shí)對(duì)鋰電池提供充電保護(hù)，防止過(guò)充；由于電池放電時(shí)其端電壓會(huì)逐漸降低，因此需要放電保護(hù)電路對(duì)放電電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)電池電壓下降到一定程度時(shí)切斷放電電路，避免鋰電池過(guò)放電。由于電源單元本身應(yīng)盡可能少地消耗電池能量，必須提高電源的轉(zhuǎn)換效率，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)具有高效率的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，為節(jié)點(diǎn)上的負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。

2 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)
    太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)主要采用集成IC外加少量阻容器件的形式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路是：首先估算系統(tǒng)總功耗，然后選擇合適的鋰電池，進(jìn)而根據(jù)鋰電池的容量來(lái)選擇所需的太陽(yáng)能電池板；根據(jù)太陽(yáng)能電池板和鋰電池的充電電壓、充電電流等參數(shù)，可以選擇合適的充電管理IC來(lái)設(shè)計(jì)充電控制電路；最后根據(jù)鋰電池輸出電壓和ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所需的工作電壓來(lái)設(shè)計(jì)合適的DC-DC變換電路。
2．1 鋰電池的選取
    ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送期間所需的峰值電流為29 mA，在數(shù)據(jù)接收期間所需的峰值電流為24 mA。通常情況下，每個(gè)ZigB ee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)設(shè)計(jì)幾個(gè)傳感器。假設(shè)各種傳感器所需的工作電流為30 mA，那么數(shù)據(jù)發(fā)送期間所需要的總電流為59 mA，數(shù)據(jù)接收期間所需要的總電流為54 mA，為了討論問(wèn)題方便，總電流取60 mA，那么鋰電池可以選取容量為900 mAh。表面上看，900 mAh的鋰電池可以供該節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作時(shí)間為：900 mAh／60 mA=15小時(shí)。
    但是實(shí)際系統(tǒng)中，ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集一般是定時(shí)采集，例如采集溫度數(shù)據(jù)，由于溫度變化減慢，所以可以定時(shí)采集，在此節(jié)點(diǎn)每小時(shí)工作50 s，其他時(shí)間都在休眠(休眠時(shí)工作電流在μA級(jí)，所以可以忽略不計(jì))。
    那么實(shí)際情況是：系統(tǒng)采用容量為900 mAh的鋰電池供電，節(jié)點(diǎn)工作電流為60 mA，每小時(shí)工作50 s，可以計(jì)算出容量為900 mAh的鋰電池可供節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間為：1080小時(shí)=45天，即一個(gè)半月的時(shí)間。
    當(dāng)然上述討論也是一種典型情況，如果系統(tǒng)需要每小時(shí)使節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間大于50 s，則每節(jié)鋰電池可以供節(jié)點(diǎn)工作的時(shí)間可能會(huì)縮短，這需要看具體的系統(tǒng)要求，但是一般情況下，選擇鋰電池時(shí)只需要能保證系統(tǒng)在充滿(mǎn)電后可以連續(xù)工作15～20天就可以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。這主要是考慮到我國(guó)部分南方地區(qū)在雨季可能連續(xù)半個(gè)月的時(shí)間不出太陽(yáng)，這時(shí)就需要考慮適當(dāng)選取容量大一點(diǎn)的鋰電池。
    本設(shè)計(jì)所選用的是容量為900 mAh的鋰電池，市場(chǎng)價(jià)在15～30元左右，該電池正常放電電壓為3．7 V，充滿(mǎn)電后電壓為4．2 V，一般正常丁作電壓為3．6～4．2 V。
2．2 太陽(yáng)能板的選取
    選取太陽(yáng)能電池板時(shí)主要考慮太陽(yáng)能板的最大輸出電壓和輸出電流。一般給鋰電池充電的電壓要大于4．2 V，太陽(yáng)能板的輸出電流決定了充電時(shí)間。常用的太陽(yáng)能板主要有單晶和多晶電池板兩種，單晶板和多晶板的區(qū)別在于最高效率的單晶電池片比最高效率的多晶電池片效率高約1％。由于單晶的有刀角而并非完整的正方角，在使用中遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多晶，而且市場(chǎng)數(shù)量明顯少于多晶。同功率的單晶電池板價(jià)格要比同功率的多晶板高些。
    本文采用的是輸出電壓為5．5 V，輸出電流為140～150 mA的單晶太陽(yáng)能電池板，尺寸為95 mm×95 mm；主要是考慮到野外安裝時(shí)，如果太陽(yáng)能電池板的體積太大不容易安裝。
2．3 充電管理電路設(shè)計(jì)
    充電管理電路連接著太陽(yáng)能電池板和鋰電池，主要功能是將收集到的能量有效地存儲(chǔ)在鋰電池中，同時(shí)提供對(duì)鋰電池充電過(guò)程中的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，防止因過(guò)充對(duì)鋰電池造成的損害。上海如韻電子有限公司的CN3063芯片可以用于太陽(yáng)能電池供電的單節(jié)鋰電池充電管理芯片。該芯片內(nèi)部的8位模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，用戶(hù)不需要考慮最壞情況，可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，非常適用于太陽(yáng)能電池等電流輸出能力有限的靠電壓源供電的鋰電池充電的應(yīng)用。
    充電控制電路如圖2所示。

    當(dāng)太陽(yáng)能電池板輸入電壓大于低電壓檢測(cè)閾值和鋰電池端電壓時(shí)，CN3063開(kāi)始對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，引腳輸出低電平時(shí)紅色LED亮，表示充電正在進(jìn)行；當(dāng)充滿(mǎn)電后，引腳輸出低電平時(shí)綠色LED亮，表示充電完畢。
    最大充電電流由ISET引腳的外接電阻決定，考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展需要，在本設(shè)計(jì)中，外接電阻R1取值為3．6 kΩ，則充電電流為：
   
    這里需要注意一點(diǎn)，雖然最大充電電流設(shè)為500 mA，但是當(dāng)使用單片太陽(yáng)能板時(shí)，最大輸出電流為150 mA，此時(shí)CN3063芯片會(huì)自動(dòng)調(diào)整最大允許充電電流為150 mA，這就是“輸入限流模式”。在此模式下用戶(hù)只需要關(guān)注系統(tǒng)最大充電電流即可，所以該芯片非常適合利用太陽(yáng)能電池等電流輸出能力有限的電壓源對(duì)鋰電池進(jìn)行充電的應(yīng)用。這里設(shè)計(jì)的最大充電電流為500 mA，主要是考慮到系統(tǒng)升級(jí)需要，比如某些場(chǎng)合下可以使用兩塊太陽(yáng)能板并聯(lián)，則最大充電電流可以達(dá)到300 mA，此時(shí)系統(tǒng)硬件不需要改動(dòng)。
    鋰電池充電過(guò)程示意圖如圖3所示。

    鋰電池充電過(guò)程分析。當(dāng)FB端檢測(cè)到鋰電池端電壓低于3 V時(shí)，進(jìn)行預(yù)充電，此時(shí)充電電流為最大充電電流的10％；當(dāng)FB端檢測(cè)到鋰電池端電壓大于3 V時(shí)，調(diào)整為恒流充電模式，同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)鋰電池端電壓。當(dāng)鋰電池端電壓達(dá)到4．2 V時(shí)，自動(dòng)調(diào)整充電模式為恒壓充電模式，此時(shí)用小電流對(duì)鋰電池充電，主要是為了防止“虛充”，當(dāng)充電電流減小到充電結(jié)束閾值時(shí)，充電周期結(jié)束。
    從整個(gè)充電過(guò)程分析可以看到，CN3063芯片可以自動(dòng)檢測(cè)充電電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)充電模式，使得充電效率較高。因此，使用該芯片設(shè)計(jì)鋰電池充電電路較為簡(jiǎn)單，利于推廣應(yīng)用。
2．4 放電保護(hù)電路和系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)
    傳統(tǒng)的放電保護(hù)電路是使用一路ADC來(lái)不斷檢測(cè)電池電壓，當(dāng)電池電壓降低到一定程度時(shí)切斷放電電路。這在理論上是很容易實(shí)現(xiàn)的，但是在ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要定時(shí)查詢(xún)?cè)撀稟DC的數(shù)值，這在一定程度上也增加了系統(tǒng)的功耗。在此提出了一種使用電池端電壓檢測(cè)芯片CN301組成的鋰電池電壓檢測(cè)電路，無(wú)需系統(tǒng)軟件支持，完全使用硬件電路來(lái)檢測(cè)電池端電壓，當(dāng)達(dá)到過(guò)度放電閾值時(shí)，自動(dòng)切斷系統(tǒng)放電電路。
    放電保護(hù)電路如圖4所示。

    該電路工作原理分析：當(dāng)電池端電壓下降到過(guò)度放電低電壓檢測(cè)閾值時(shí)，LBO引腳輸出低電平，NMOS管截止，PMOS管柵極為高電平，PMOS管截止，放電回路被切斷，起到了保護(hù)鋰電池過(guò)度放電的作用；當(dāng)太陽(yáng)能板自動(dòng)對(duì)鋰電池充電，充電電壓達(dá)到高電壓檢測(cè)闖值時(shí)，LBO輸出高電平，NMOS管導(dǎo)通，PMOS管柵極為低電平，PMOS管導(dǎo)通，放電回路重新被打開(kāi)，如果ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)時(shí)配置為上電后自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，那么該節(jié)點(diǎn)將會(huì)自動(dòng)加入到原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)中。
    鋰電池過(guò)度放電低電壓檢測(cè)閾值計(jì)算公式如下：
   
    其中，Vrth為該芯片設(shè)定的閾值，大小為1．135 V；ILBI為引腳偏置電流范圍為-100～100 nA，一般取0即可。因?yàn)樵撔酒ぷ麟娏髟?．8μA，所以對(duì)于電阻R1和R2的選型需要注意，應(yīng)當(dāng)選擇阻值大一些的電阻。筆者選用R1為2MΩ，R2為1MΩ，這樣流過(guò)電阻的電流在μA級(jí)，功耗很低。
    由于鋰電池電壓范同為3．6～4．2 V，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作電壓為3．3 V，所以需要根據(jù)輸入／輸出的電壓差來(lái)選擇適當(dāng)?shù)腖DO芯片，同時(shí)還需要考慮LDO的靜態(tài)電流和效率。筆者采用RT9183-33PG芯片實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，該芯片在輸出3．3 V時(shí)，所需要的壓差為110 mV，靜態(tài)電流為：380μA。

3 PCB布局注意事項(xiàng)
    在具體的PCB布局時(shí)需要注意以下問(wèn)題：
    ①CN3063的ISET引腳外接電阻R1(充電電流編程)，應(yīng)盡可能靠地近CN3063。
    ②CN3063的VIN、BAT引腳的外接電容要盡可能地靠近CN3063。
    ③為了使系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)定的最大充電電流，需要將CN3063背面裸露的金屬板焊接到PCB板的地端，以達(dá)到最大的散熱效果；否則，在充電過(guò)程中，CN3063芯片的熱阻將增大，這將導(dǎo)致充電電流減小。一般采取的措施是PCB頂面放置焊盤(pán)，接到CN3063的裸露的銅面上，為了便于焊接，可以放置4個(gè)小焊盤(pán)，4個(gè)小焊盤(pán)的面積要略小于CN3063底部裸露銅片的面積，這樣既有利于焊接，又有利于芯片的散熱。

結(jié)語(yǔ)
    電源的設(shè)計(jì)優(yōu)劣關(guān)乎系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗，本文以ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)為例進(jìn)行了講解，通過(guò)充電控制電路和放電保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池充放電的保護(hù)功能，延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命，非常適合于野外布置的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用，本文的分析方法也適用于其他需要太陽(yáng)能供電的系統(tǒng)。