微型溫差電池的無線傳感器節(jié)點自供電系統(tǒng)設計

在全球面臨能源緊缺、氣候變暖等嚴重問題的情況下，人類為了生存和發(fā)展轉而去尋找和利用清潔能源技術。清潔能源包括太陽能、風能、熱能、振動能、海洋能，以及其他能量如人體動能、生化能等能量。隨著科技的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡技術已經(jīng)滲透到人類生產(chǎn)和生活的方方面面。無線通信網(wǎng)已經(jīng)逐步發(fā)展到能為任何人和物件之間隨時、隨地通信的物聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡的規(guī)模極速擴大，但與此同時物聯(lián)網(wǎng)的總體的穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展問題也越來越突出。與此同時，為了滿足人類生活的需要，越來越多的傳感器需要被安放在人跡罕至或者環(huán)境惡劣的地區(qū)，這些地區(qū)惡劣的環(huán)境決定了人們無法使用化學電池為無線傳感器節(jié)點供電，因為在這些地區(qū)更換化學電池往往是一件不太可能的事情。正因為這些原因，本文才想到采用可再生能源(動態(tài)能源)為無線通信節(jié)點供能來解決這些問題。

本文提出了一套微型溫差發(fā)電器供給無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以微型溫差發(fā)電器作為能量源，以德州儀器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作為DC-DC升壓變換器實現(xiàn)了可以從低至80mV的能量源采集能量，并利用外圍電路實現(xiàn)對能量源的最大功率點跟蹤控制，并結合能量緩沖器在必要時存儲能量，然后通過MIC841N雙電壓比較器和TPS78001超低壓差線性穩(wěn)壓器，實現(xiàn)了微型溫差能量的有效采集和利用。該系統(tǒng)通過高效的能量收集和有效的能量管理實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡的功能，成為了真正的能量自供給無線傳感器系統(tǒng)，同時也順應了現(xiàn)在我國通信行業(yè)綠色無線電的發(fā)展要求。

1. 基于微型溫差發(fā)電器的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點架構模型

為了滿足微型溫差發(fā)電器供給的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的要求，本文設計了如下的無線傳感器節(jié)點發(fā)射端的系統(tǒng)架構，如下圖1所示。

圖 1 微型溫差發(fā)電器無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)射端架構

由圖1可知，微型溫差發(fā)電器供電的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的發(fā)射端結構由溫差電能收集器、具有MPPT功能的升壓電路、能量緩沖器和系統(tǒng)負載(無線傳感器節(jié)點)組成。溫差電能收集器是由熱電轉換芯片組成的，可以根據(jù)實際的應用場所的大小和所需電能的多少決定熱電轉換芯片表面積大小和疊加的層數(shù)，用以滿足不同的應用環(huán)境。

電源管理集成電路主要是由最大功率點跟蹤模塊(MPPT)、電能輸出接口、充電器(DC-DC升壓模塊)、能量緩沖器構成。其中能量緩沖器電路由儲能電容、比較器電路和穩(wěn)壓器電路構成。負載主要包括處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并通過無線發(fā)射模塊發(fā)射出去。

由圖1可知，在微型溫差發(fā)電器供電的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中，電源能量管理電路(Power Management Integrated Circuit, PMIC)是極其重要的一環(huán)，它所包含的電路功能多而重要，是微型溫差發(fā)電器能量采集系統(tǒng)的關鍵所在。

2. 電源能量管理控制電路(PMIC)設計方案

2.1 電源能量管理控制電路(PMIC)整體設計方案

在本文中電源管理控制電路主要包含了如下功能，最大功率點跟蹤、DC-DC升壓轉換和能量緩沖。

如圖2所示，基于微型溫差發(fā)電器的能量自供給無線傳感器系統(tǒng)的能量采集和管電路主要是由芯片BQ25504、MIC841N、TPS78001和儲能電容器以及它們相應的外圍電路構成。超低電壓升壓轉換和管理芯片BQ25504，低功耗多功能電壓比較器MIC841N和線性穩(wěn)壓輸出芯片TPS78001一起構成了微型溫差發(fā)電器供給的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的溫差能量采集和管理使用的多重功能。

圖2 系統(tǒng)溫差能量采集和應用電路原理圖

在本文中，BQ25504電源管理芯片主要實現(xiàn)了從熱能轉換模塊中以超低功耗汲取能量。BQ25504是一個16個引腳的、3mm*3mm分裝的高效率能量管理芯片，16個引腳依次逆時針分布，本文通過合理地應用這些引腳的相應的功能，實現(xiàn)了微型能量的高效管理。除此之外，該芯片的一個顯著優(yōu)點是擁有超低的工作啟動電壓，這使得它可以在穩(wěn)定工作時從低至80mv的能量源提取能量，并對超低電壓進行升壓轉換，以便后續(xù)電路進行存儲使用。在本文電路中，搭配合適的外圍電路實現(xiàn)了從超低功率能量源采集電能的最大功率點跟蹤，這對于微型溫差能量自供給系統(tǒng)有著至關重要的作用。同時通過外圍電路設定過壓和欠壓的電路保護，保證芯片的穩(wěn)定工作。

MIC841N是一個超低功耗的具有內部參考電壓的雙電壓比較器。在本文中通過設置其電壓比較的上限和下限來驅動后面的線性穩(wěn)壓器。其工作的特點是，通過不斷的檢測引腳VDD上的電壓，并與引腳LTH和HTH上設定的工作電壓進行比較，從而確定輸出的電壓(即引腳OUT的輸出信號)的高低，進而控制穩(wěn)壓器TPS78001的工作狀態(tài)。

TPS78001是TI生產(chǎn)的超低功耗穩(wěn)壓器，它可以實現(xiàn)電路輸出電壓的穩(wěn)壓作用，通過設置相應的外圍電路的電阻參數(shù)，可以使輸出得到一個穩(wěn)定的電壓，這樣就可以穩(wěn)定地驅動后面的無線傳感器發(fā)射節(jié)點。

為了更好的對圖2設計電路進行解釋說明，下面對上述電路圖的各個模塊包含的芯片和相關電子元件，以及工作方式和功能進行詳細的描述。

圖2中的電路是微型溫差發(fā)電器自供電系統(tǒng)的總體電路圖，根據(jù)實際電路的作用可將其劃分為三個電路，在此以電路A、B和C來代替。

電路A是以BQ25504芯片為核心的具有MPPT功能的DC-DC升壓變換器電路以及能量存儲電路;電路B是以MIC841N芯片為核心的雙電壓比較器電路;電路C是以TPS78001芯片為核心的穩(wěn)壓器輸出電路。

2.2 具備MPPT功能的DC-DC升壓轉換以及儲能電路設計

如圖3所示，電路A主要是由電能管理芯片BQ25504及其外圍電路構成。

首先按照如圖3連接電路A的相關電子元器件。TEG(Thermoelectric Generator)即是微型溫差發(fā)電器，它輸出的是溫差電轉換的裸電壓。電路A的主要功能是MPPT、DC-DC升壓變換，以及能量存儲電路，以下對如何實現(xiàn)這三個功能進行詳細敘述。

圖3 帶MPPT功能的DC-DC升壓電路和能量存儲電路原理圖

2.2.1 最大功率點跟蹤(MPPT)功能電路設計

最大功率點跟蹤(MPPT)是一種最大化利用發(fā)電器所產(chǎn)生電能的技術。本文通過一定的電氣模塊調節(jié)微型溫差發(fā)電器的溫差芯片的輸出電壓，從而實現(xiàn)溫差發(fā)電器輸出功率的最大化。根據(jù)已知的微型溫差發(fā)電器的輸出特性曲線，當輸出的電壓大約等于開路電壓的50%時可以得到最大的輸出功率。從TEG提取最大功率的技術主要是動態(tài)改變DC/DC轉換器開關頻率，本文根據(jù)這一特性利用BQ25504采用了電阻比例分壓法實現(xiàn)了輸出電壓為開路電壓的一半，進而實現(xiàn)了輸出功率的最大化。

如圖3所示，為了實現(xiàn)MPPT功能，在引腳2(VIN_DC)和引腳3(VOC_SAMP)分別接電阻OC2和電阻OC1。引腳2通過OC2接引腳3，引腳3通過OC1接地，具體如電路原理圖所示。

然后按照以下的方式確定ROC1和ROC2的阻值：

VIN_DC是電壓輸出端，通過ROC1和ROC2的分壓作用，使得VOC_SAMP處的電壓為：

又因為TEG輸出的電壓大約等于開路電壓的50%時可以得到最大的輸出功率，因此ROC1/(ROC1+ROC2)的值應為1/2，因此ROC1= ROC2，在電路設計實際中，本文選擇了10MΩ作為其阻值，因此ROC1 =ROC2 =10MΩ。

BQ25504芯片每16s采樣一次VOC_SAMP的電壓值，可以保證在溫差發(fā)電器的輸出功率發(fā)生變化的情況下，在較短的時間內可以準確跟蹤到微型溫差發(fā)電器輸出功率的最大點，實現(xiàn)最有效的電能采集。

2.2.2 DC-DC超低電壓升壓功能電路設計

BQ25504的另一個最重要的功能就是可以實現(xiàn)在穩(wěn)定工作時從低至80mV的電壓持續(xù)汲取能量，這對于微型溫差發(fā)電器十分重要。BQ25504的充電電路是集成在芯片內部的DC-DC升壓模塊構成。內部升壓模塊是通過脈沖頻率調制將輸入電壓調節(jié)到芯片的能量存儲設備需要的電壓。為了實現(xiàn)保護電能存儲(儲能電容器)設備的長壽命高效率工作，本文結合BQ25504為充電電路設定了欠壓閾值(UV)，充電完成閾值(VBAT_OK)，過壓閾值(OV)，欠壓和過壓閾值的設定分別用于避免儲能電容器儲能設備過度放電和過度充電，盡可能延長儲能電容器的工作使用壽命。VBAT_OK的設定用于控制充放電過程，進而控制整個電路的工作流程。

在本文中，結合充電電路的實際情況，本文設定，VBAT_OV=3.5V，VBAT_UV=2.8V，VBAT_OK=3V，VBAT_OK_HYST=3.2V。

然后依照以下的公式確定外圍電阻的阻值：

在電路中，VBIAS是芯片BQ25504的內部參考電壓，其值為1.240V，并且在電路設計中本文約定RUV1+RUV2=10MΩ，ROV1+ROV2=10MΩ，ROK1+ROK2+ROK3=10MΩ;結合方程(2)，(3)，(4)，(5)，本文得到：

RUV1=4.43M;RUV2=5.57M;

ROV1=5.31M;ROV2=4.69M;

ROK1=3.875M;ROK2=5.5M;ROK3=625K;

2.2.3 DC-DC超低電壓升壓功能電路設計

本文設計的能量緩沖器電路是在BQ25504芯片的輸出位置通過一個二極管D1接入一個儲能電容器。通過儲能電容器的應用，本文可以實現(xiàn)在溫差能充足時，DC-DC轉換過后的能量不僅能夠供給無線傳感器節(jié)點使用，而且多余的能量可以存儲在儲能電容器中，實現(xiàn)能量的最大節(jié)約;溫差發(fā)電器采集到的電量不足的時候儲能電容器可以暫時充當能量源的角色，保證后面的無線傳感器節(jié)點有效的工作，并且由于二極管D1的存在避免了儲能電容器反向給溫差發(fā)電器充電的情況。

在實際應用中按照這些阻值選擇電阻連接電路即可實現(xiàn)對于儲能電容器充放電的監(jiān)測和保護，延長儲能電容器的工作壽命。

2.3 雙電壓比較器MIC841N為核心的比較器電路設計

在本文中，采用MIC841N作為電壓比較器，通過該比較器可以實現(xiàn)對儲能電容存儲電壓的檢測，并對后續(xù)的線性穩(wěn)壓器的工作狀態(tài)進行控制。如圖4所示是MIC841N的工作參考電路，本文依托參考電路，合理設置外圍電阻等器件參數(shù)，來實現(xiàn)其比較控制功能。

圖4 MIC841N雙電壓比較器工作參考電路

首先，如圖4所示，連接好電路，其Vin端接前面電路的儲能電容器的正極;Vin端通過電阻R2接入LTH端;LTH端和HTH端通過電阻R3相連;HTH端接電阻R4然后接地;Vout接TPS78001芯片的EN端。

然后按照以下的方法確定MIC841N的外圍電阻的阻值：

根據(jù)MIC841N芯片的特性，低電壓閾值為：

高電壓閾值為：

對于MIC841N芯片來說，VREF=1.240V。

由于本文是要驅動一個無線發(fā)射模塊，根據(jù)本文所使用的無線發(fā)射模塊的工作電壓范圍(2.4V-3.0V)，所以VIN(lo)=2.4V，VIN(lo)=3.0V，由此本文可以確定外圍電阻R4,R2,R3的阻值。本文在實際操作中，設定R4+R2+R3=1MΩ，結合公式(6)和公式(7)，本文可以計算出：R4=484KΩ,R2=413KΩ,R3=103KΩ。

微型溫差發(fā)電器采集到的能量給儲能電容器充電是一個儲能電容器兩端的電壓逐漸升高的過程，而其放電過程是一個電容器兩端的電壓緩慢下降的過程。輸入雙電壓比較器MIC841N的Vin處的電壓即是電容器兩端的電壓，那么MIC841N的輸出結果如圖5所示。

圖5 MIC841N芯片工作功能圖

從該輸出結果本文可以看出，只有電容器的電壓在一定的范圍內的時候才能輸出一個高電平，這恰恰可以用來控制后續(xù)穩(wěn)壓器模塊的中斷，進而最有效的利用能量。

2.4 TPS78001為核心的儲能電容器放電穩(wěn)壓電路設計

在實際的應用中，儲能電容器這種電能存儲設備兩端的電壓會隨著放電時間的延長逐漸下降。在本文研究的實例中，微型溫差發(fā)電器采集到的能量很有限，而后續(xù)的無線射頻發(fā)射模塊需要工作在一定的電壓范圍內，如果任由儲能電容器自由放電，那么無線射頻發(fā)射模塊只會工作很短時間，其他時間電容器的電壓都不夠無線射頻發(fā)射模塊使用，這部分電能就會被浪費掉，為了解決這個問題，必須需要添加一個受控的穩(wěn)壓器來使儲能電容器的放電電壓穩(wěn)定在一個可以使無線射頻發(fā)射模塊工作電壓值。

本文采用了TPS78001芯片作為穩(wěn)壓輸出設備。如圖6所示為TPS78001的工作參考電路圖。

首先按照圖6連接電路圖。IN端接儲能電容器的正極;EN使能端接MIC841N的OUT端;OUT端和FB端之間接電阻R5;FB端接R6然后接地;OUT端輸出一個穩(wěn)定的電壓，可設置，在本文中為3V，供給后面的無線發(fā)射模塊使用。

圖6 電路C穩(wěn)壓器電路原理圖

然后根據(jù)以下方法確定外圍電阻的阻值。

TPS78001的輸出電壓可以通過設定電阻R1和R2的值穩(wěn)定在1.2V-5.1V之間的任何一個值。Vout和VFB的關系如方程(7)所示。

VFB是一個內部設定的參考電壓，它的值為恒定的1.216V，而Vout需要穩(wěn)定在3V左右，因此可得兩個電阻之間的關系。本文在實際應用中設定R6=1MΩ，因此

3. 電路整體工作方式和測試

結合圖2的系統(tǒng)整體原理電路圖，本文電路的整體的工作方式如下：TEG將溫差能轉換為電能，電能通過MPPT接口實現(xiàn)電能功率的最大化利用，然后經(jīng)過DC-DC升壓裝置將電壓升到3V左右，開始給儲能電容器充電。如果TEG產(chǎn)生的電能的功率很大，電路則一邊給儲能電容器充電，一邊驅動后面的比較器、穩(wěn)壓器以及無線發(fā)射模塊。若TEG產(chǎn)生的電能比較微弱，則首先給儲能電容器進行充電，隨著充電的進行，當儲能電容器中的電壓達到雙電壓比較器MIC841N的閾值電壓時，比較器輸出一個高電平，該高電平將使穩(wěn)壓器TPS78001處于使能工作狀態(tài)，穩(wěn)壓器穩(wěn)定工作，然后儲能電容器開始給后面的無線傳感器節(jié)點供電;當儲能電容器放電一段時間后，其電壓下降，當電壓下降到MIC841N的低壓閾值時，MIC841N輸出低電平，此時穩(wěn)壓器TPS78001處于中斷狀態(tài)，儲能電容器不再對外放電，而開始繼續(xù)充電，循環(huán)往復，本文電路會一直工作下去。

本文實驗過程中采用的TEG是德國Micropelt公司生產(chǎn)的TE-Core-direct，無線發(fā)射接收模塊使用德州儀器生產(chǎn)的RF2500模塊，其他電路采用本文中設計的電路。在實驗過程中實現(xiàn)了在溫差低至3攝氏度的能量采集，可以將數(shù)據(jù)直線發(fā)送到62.7米的接收端。實驗結果表明，本文設計電路實現(xiàn)了應用范圍廣，發(fā)送距離長等特點。

結語

本文提供了一種基于微型溫差電池的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點自供電系統(tǒng)，通過選擇BQ25504、MIC841N和TPS78001芯片，設計相關外圍電路，構建了一個完整的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點。實驗結果表明，該自供電系統(tǒng)具備啟動電壓低，能以最大功率點輸出的優(yōu)點。發(fā)射模塊傳送的距離可達62.7m，可直接放置于暖氣片、空調出風口、等物體表面，實現(xiàn)微弱能源的采集和利用，能有效解決無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點能源供電問題，具備較高的實用價值。