微型溫差電池的無線傳感器節(jié)點(diǎn)自供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在全球面臨能源緊缺、氣候變暖等嚴(yán)重問題的情況下，人類為了生存和發(fā)展轉(zhuǎn)而去尋找和利用清潔能源技術(shù)。清潔能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、振動(dòng)能、海洋能，以及其他能量如人體動(dòng)能、生化能等能量。隨著科技的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shí)、隨地通信的物聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模極速擴(kuò)大，但與此同時(shí)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(shí)，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(xué)電池為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電，因?yàn)樵谶@些地區(qū)更換化學(xué)電池往往是一件不太可能的事情。正因?yàn)檫@些原因，本文才想到采用可再生能源(動(dòng)態(tài)能源)為無線通信節(jié)點(diǎn)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(luò)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)能量源的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，并結(jié)合能量緩沖器在必要時(shí)存儲(chǔ)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(shí)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(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能，成為了真正的能量自供給無線傳感器系統(tǒng)，同時(shí)也順應(yīng)了現(xiàn)在我國(guó)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(luò)節(jié)點(diǎn)架構(gòu)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(luò)系統(tǒng)的要求，本文設(shè)計(jì)了如下的無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射端的系統(tǒng)架構(gòu)，如下圖1所示。

圖 1 微型溫差發(fā)電器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)射端架構(gòu)

由圖1可知，微型溫差發(fā)電器供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射端結(jié)構(gòu)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(fù)載(無線傳感器節(jié)點(diǎn))組成。溫差電能收集器是由熱電轉(zhuǎn)換芯片組成的，可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)所的大小和所需電能的多少?zèng)Q定熱電轉(zhuǎn)換芯片表面積大小和疊加的層數(shù)，用以滿足不同的應(yīng)用環(huán)境。

電源管理集成電路主要是由最大功率點(diǎn)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(gòu)成。其中能量緩沖器電路由儲(chǔ)能電容、比較器電路和穩(wěn)壓器電路構(gòu)成。負(fù)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(luò)節(jié)點(diǎn)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(guān)鍵所在。

2. 電源能量管理控制電路(PMIC)設(shè)計(jì)方案

2.1 電源能量管理控制電路(PMIC)整體設(shè)計(jì)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(diǎn)跟蹤、DC-DC升壓轉(zhuǎn)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(chǔ)能電容器以及它們相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成。超低電壓升壓轉(zhuǎn)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(gòu)成了微型溫差發(fā)電器供給的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(yīng)用電路原理圖

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

MIC841N是一個(gè)超低功耗的具有內(nèi)部參考電壓的雙電壓比較器。在本文中通過設(shè)置其電壓比較的上限和下限來驅(qū)動(dòng)后面的線性穩(wěn)壓器。其工作的特點(diǎn)是，通過不斷的檢測(cè)引腳VDD上的電壓，并與引腳LTH和HTH上設(shè)定的工作電壓進(jìn)行比較，從而確定輸出的電壓(即引腳OUT的輸出信號(hào))的高低，進(jìn)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(shí)現(xiàn)電路輸出電壓的穩(wěn)壓作用，通過設(shè)置相應(yīng)的外圍電路的電阻參數(shù)，可以使輸出得到一個(gè)穩(wěn)定的電壓，這樣就可以穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)后面的無線傳感器發(fā)射節(jié)點(diǎn)。

為了更好的對(duì)圖2設(shè)計(jì)電路進(jìn)行解釋說明，下面對(duì)上述電路圖的各個(gè)模塊包含的芯片和相關(guān)電子元件，以及工作方式和功能進(jìn)行詳細(xì)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(shí)際電路的作用可將其劃分為三個(gè)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(chǔ)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(zhuǎn)換以及儲(chǔ)能電路設(shè)計(jì)

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(gòu)成。

首先按照如圖3連接電路A的相關(guān)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(zhuǎn)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(chǔ)電路，以下對(duì)如何實(shí)現(xiàn)這三個(gè)功能進(jìn)行詳細(xì)敘述。

圖3 帶MPPT功能的DC-DC升壓電路和能量存儲(chǔ)電路原理圖

2.2.1 最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能電路設(shè)計(jì)

最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)是一種最大化利用發(fā)電器所產(chǎn)生電能的技術(shù)。本文通過一定的電氣模塊調(diào)節(jié)微型溫差發(fā)電器的溫差芯片的輸出電壓，從而實(shí)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(dāng)輸出的電壓大約等于開路電壓的50%時(shí)可以得到最大的輸出功率。從TEG提取最大功率的技術(shù)主要是動(dòng)態(tài)改變DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)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(shí)現(xiàn)了輸出電壓為開路電壓的一半，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了輸出功率的最大化。

如圖3所示，為了實(shí)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：

(1)

又因?yàn)門EG輸出的電壓大約等于開路電壓的50%時(shí)可以得到最大的輸出功率，因此ROC1/(ROC1+ROC2)的值應(yīng)為1/2，因此ROC1= ROC2，在電路設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)間內(nèi)可以準(zhǔn)確跟蹤到微型溫差發(fā)電器輸出功率的最大點(diǎn)，實(shí)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(shè)計(jì)

BQ25504的另一個(gè)最重要的功能就是可以實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)定工作時(shí)從低至80mV的電壓持續(xù)汲取能量，這對(duì)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(nèi)部的DC-DC升壓模塊構(gòu)成。內(nèi)部升壓模塊是通過脈沖頻率調(diào)制將輸入電壓調(diào)節(jié)到芯片的能量存儲(chǔ)設(shè)備需要的電壓。為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)電能存儲(chǔ)(儲(chǔ)能電容器)設(shè)備的長(zhǎng)壽命高效率工作，本文結(jié)合BQ25504為充電電路設(shè)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(shè)定分別用于避免儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)能設(shè)備過度放電和過度充電，盡可能延長(zhǎng)儲(chǔ)能電容器的工作使用壽命。VBAT_OK的設(shè)定用于控制充放電過程，進(jìn)而控制整個(gè)電路的工作流程。

在本文中，結(jié)合充電電路的實(shí)際情況，本文設(shè)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(nèi)部參考電壓，其值為1.240V，并且在電路設(shè)計(jì)中本文約定RUV1+RUV2=10MΩ，ROV1+ROV2=10MΩ，ROK1+ROK2+ROK3=10MΩ;結(jié)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(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的能量緩沖器電路是在BQ25504芯片的輸出位置通過一個(gè)二極管D1接入一個(gè)儲(chǔ)能電容器。通過儲(chǔ)能電容器的應(yīng)用，本文可以實(shí)現(xiàn)在溫差能充足時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換過后的能量不僅能夠供給無線傳感器節(jié)點(diǎn)使用，而且多余的能量可以存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電容器中，實(shí)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(shí)候儲(chǔ)能電容器可以暫時(shí)充當(dāng)能量源的角色，保證后面的無線傳感器節(jié)點(diǎn)有效的工作，并且由于二極管D1的存在避免了儲(chǔ)能電容器反向給溫差發(fā)電器充電的情況。

在實(shí)際應(yīng)用中按照這些阻值選擇電阻連接電路即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于儲(chǔ)能電容器充放電的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，延長(zhǎng)儲(chǔ)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(shè)計(jì)

在本文中，采用MIC841N作為電壓比較器，通過該比較器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電容存儲(chǔ)電壓的檢測(cè)，并對(duì)后續(xù)的線性穩(wěn)壓器的工作狀態(tài)進(jìn)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(shè)置外圍電阻等器件參數(shù)，來實(shí)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(chǔ)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：

(6)

高電壓閾值為：

(7)

對(duì)于MIC841N芯片來說，VREF=1.240V。

由于本文是要驅(qū)動(dòng)一個(gè)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(shí)際操作中，設(shè)定R4+R2+R3=1MΩ，結(jié)合公式(6)和公式(7)，本文可以計(jì)算出：R4=484KΩ,R2=413KΩ,R3=103KΩ。

微型溫差發(fā)電器采集到的能量給儲(chǔ)能電容器充電是一個(gè)儲(chǔ)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(gè)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(jié)果如圖5所示。

圖5 MIC841N芯片工作功能圖

從該輸出結(jié)果本文可以看出，只有電容器的電壓在一定的范圍內(nèi)的時(shí)候才能輸出一個(gè)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(jìn)而最有效的利用能量。

2.4 TPS78001為核心的儲(chǔ)能電容器放電穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際的應(yīng)用中，儲(chǔ)能電容器這種電能存儲(chǔ)設(shè)備兩端的電壓會(huì)隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降。在本文研究的實(shí)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(nèi)，如果任由儲(chǔ)能電容器自由放電，那么無線射頻發(fā)射模塊只會(huì)工作很短時(shí)間，其他時(shí)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(huì)被浪費(fèi)掉，為了解決這個(gè)問題，必須需要添加一個(gè)受控的穩(wěn)壓器來使儲(chǔ)能電容器的放電電壓穩(wěn)定在一個(gè)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(shè)備。如圖6所示為TPS78001的工作參考電路圖。

首先按照?qǐng)D6連接電路圖。IN端接儲(chǔ)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(gè)穩(wěn)定的電壓，可設(shè)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(shè)定電阻R1和R2的值穩(wěn)定在1.2V-5.1V之間的任何一個(gè)值。Vout和VFB的關(guān)系如方程(7)所示。

(7)

VFB是一個(gè)內(nèi)部設(shè)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(gè)電阻之間的關(guān)系。本文在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)定R6=1MΩ，因此

。

3. 電路整體工作方式和測(cè)試

結(jié)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(zhuǎn)換為電能，電能通過MPPT接口實(shí)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(chǔ)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(chǔ)能電容器充電，一邊驅(qū)動(dòng)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(chǔ)能電容器進(jìn)行充電，隨著充電的進(jìn)行，當(dāng)儲(chǔ)能電容器中的電壓達(dá)到雙電壓比較器MIC841N的閾值電壓時(shí)，比較器輸出一個(gè)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(chǔ)能電容器開始給后面的無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電;當(dāng)儲(chǔ)能電容器放電一段時(shí)間后，其電壓下降，當(dāng)電壓下降到MIC841N的低壓閾值時(shí)，MIC841N輸出低電平，此時(shí)穩(wěn)壓器TPS78001處于中斷狀態(tài)，儲(chǔ)能電容器不再對(duì)外放電，而開始繼續(xù)充電，循環(huán)往復(fù)，本文電路會(huì)一直工作下去。

本文實(shí)驗(yàn)過程中采用的TEG是德國(guó)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(shè)計(jì)的電路。在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用范圍廣，發(fā)送距離長(zhǎng)等特點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

本文提供了一種基于微型溫差電池的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自供電系統(tǒng)，通過選擇BQ25504、MIC841N和TPS78001芯片，設(shè)計(jì)相關(guān)外圍電路，構(gòu)建了一個(gè)完整的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該自供電系統(tǒng)具備啟動(dòng)電壓低，能以最大功率點(diǎn)輸出的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)射模塊傳送的距離可達(dá)62.7m，可直接放置于暖氣片、空調(diào)出風(fēng)口、等物體表面，實(shí)現(xiàn)微弱能源的采集和利用，能有效解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能源供電問題，具備較高的實(shí)用價(jià)值。