微型溫差電池的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)自供電系統設計

　　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。

　　本文提出了一套微型溫差發(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。

　　1.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。

　　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(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