無(wú)線(xiàn)傳感電源系統電路設計攻略 —電路圖天天讀（182）

　　在全球面臨能源緊缺、氣候變暖等嚴重問(wèn)題的情況下，人類(lèi)為了生存和發(fā)展轉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(zhù)科技的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已經(jīng)滲透到人類(lèi)生產(chǎn)和生活的方方面面。無(wú)線(xiàn)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 )的規模極速擴大，但與此同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)的總體的穩定性和可持續發(fā)展問(wèn)題也越來(lái)越突出。與此同時(shí)，為了滿(mǎn)足人類(lèi)生活的需要，越來(lái)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，這些地區惡劣的環(huán)境決定了人們無(wú)法使用化學(xué)電池為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)供電，因為在這些地區更換化學(xué)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(dòng)態(tài)能源）為無(wú)線(xiàn)通信節點(diǎn)供能來(lái)解決這些問(wèn)題。

　　一套微型溫差發(fā)電器供給無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的系統。該系統以微型溫差發(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)現對能量源的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，并結合能量緩沖器在必要時(shí)存儲能量，然后通過(guò)MIC841N雙電壓比較器和TPS78001超低壓差線(xiàn)性穩壓器，實(shí)現了微型溫差能量的有效采集和利用。該系統通過(guò)高效的能量收集和有效的能量管理實(shí)現了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的功能，成為了真正的能量自供給無(wú)線(xiàn)傳感器系統，同時(shí)也順應了現在我國通信行業(yè)綠色無(wú)線(xiàn)電的發(fā)展要求。

　　基于微型溫差發(fā)電器的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)架構模型

　　為了滿(mǎn)足微型溫差發(fā)電器供給的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的要求，本文設計了如下的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)發(fā)射端的系統架構，如下圖1所示。

　　圖1微型溫差發(fā)電器無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)發(fā)射端架構

　　由圖1可知，微型溫差發(fā)電器供電的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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、能量緩沖器和系統負載（無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)）組成。溫差電能收集器是由熱電轉換芯片組成的，可以根據實(shí)際的應用場(chǎng)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，用以滿(mǎn)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(diǎn)跟蹤模塊（MPPT）、電能輸出接口、充電器（DC-DC升壓模塊）、能量緩沖器構成。其中能量緩沖器電路由儲能電容、比較器電路和穩壓器電路構成。負載主要包括處理傳感器采集到的數據，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(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)電器能量采集系統的關(guān)鍵所在。

　　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(diǎn)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(wú)線(xiàn)傳感器系統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(xiàn)性穩壓輸出芯片TPS78001一起構成了微型溫差發(fā)電器供給的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的溫差能量采集和管理使用的多重功能。

　　圖2系統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(shí)現了從熱能轉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?lè )植?，本文通過(guò)合理地應用這些引腳的相應的功能，實(shí)現了微型能量的高效管理。除此之外，該芯片的一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)是擁有超低的工作啟動(dòng)電壓，這使得它可以在穩定工作時(shí)從低至80mv的能量源提取能量，并對超低電壓進(jìn)行升壓轉換，以便后續電路進(jìn)行存儲使用。在本文電路中，搭配合適的外圍電路實(shí)現了從超低功率能量源采集電能的最大功率點(diǎn)跟蹤，這對于微型溫差能量自供給系統有著(zhù)至關(guān)重要的作用。同時(shí)通過(guò)外圍電路設定過(guò)壓和欠壓的電路保護，保證芯片的穩定工作。

　　MIC841N是一個(gè)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(guò)設置其電壓比較的上限和下限來(lái)驅動(dòng)后面的線(xiàn)性穩壓器。其工作的特點(diǎn)是，通過(guò)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(jìn)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(jìn)而控制穩壓器 TPS78001的工作狀態(tài)。TPS78001是TI生產(chǎn)的超低功耗穩壓器，它可以實(shí)現電路輸出電壓的穩壓作用，通過(guò)設置相應的外圍電路的電阻參數，可以使輸出得到一個(gè)穩定的電壓，這樣就可以穩定地驅動(dòng)后面的無(wú)線(xiàn)傳感器發(fā)射節點(diǎn)。為了更好的對圖2設計電路進(jìn)行解釋說(shuō)明，下面對上述電路圖的各個(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)行詳細的描述。圖2中的電路是微型溫差發(fā)電器自供電系統的總體電路圖，根據實(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(lái)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芯片為核心的穩壓器輸出電路。

　　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(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(shí)現這三個(gè)功能進(jìn)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

　　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(guò)一個(gè)二極管D1接入一個(gè)儲能電容器。通過(guò)儲能電容器的應用，本文可以實(shí)現在溫差能充足時(shí)，DC-DC轉換過(guò)后的能量不僅能夠供給無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)使用，而且多余的能量可以存儲在儲能電容器中，實(shí)現能量的最大節約；溫差發(fā)電器采集到的電量不足的時(shí)候儲能電容器可以暫時(shí)充當能量源的角色，保證后面的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)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。

　　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(guò)該比較器可以實(shí)現對儲能電容存儲電壓的檢測，并對后續的線(xiàn)性穩壓器的工作狀態(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，合理設置外圍電阻等器件參數，來(lái)實(shí)現其比較控制功能。

　　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(guò)電阻R2接入LTH端；LTH端和HTH端通過(guò)電阻R3相連；HTH端接電阻R4然后接地；Vout接TPS78001芯片的EN端。本文采用了TPS78001芯片作為穩壓輸出設備。如圖6所示為T(mén)PS78001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(gè)穩定的電壓，可設置，在本文中為3V，供給后面的無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊使用。

　　圖6電路C穩壓器電路原理圖

　　本文提供了一種基于微型溫差電池的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)自供電系統，通過(guò)選擇BQ25504、MIC841N和TPS78001芯片，設計相關(guān)外圍電路，構建了一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。實(shí)驗結果表明，該自供電系統具備啟動(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62.7m，可直接放置于暖氣片、空調出風(fēng)口、等物體表面，實(shí)現微弱能源的采集和利用，能有效解決無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)能源供電問(wèn)題，具備較高的實(shí)用價(jià)值。

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