趙耀，侯春萍，由磊

（天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

引 言

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)展而去開發(fā)和利用清潔能源技術(shù)。清潔能源包括太陽能、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）。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)絡(luò)已經(jīng)逐步發(fā)展到任何人和物件之間能隨時(shí)、隨地通信的物聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模迅速擴(kuò)大，但與此同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)總體的穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展問題也越來越突出。同時(shí)，為了滿足人類生活的需要，越來越多的傳感器被安放在人跡罕至或者環(huán)境惡劣的地區(qū)，這些地區(qū)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。為了解決這些問題，本文采用可再生能源（動(dòng)態(tài)能源）為無線通信節(jié)點(diǎn)提供能量。

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TI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)了從低至80mV的能量源采集能量［5]，利用外圍電路對(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［6]。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)。

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

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)了如圖1所示的無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射端的系統(tǒng)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)際應(yīng)用場(chǎng)所的大小和所需電能的多少，決定熱電轉(zhuǎn)換芯片表面積大小和疊加的層數(shù)，以滿足不同應(yīng)用環(huán)境的需求。

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)

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，電源能量管理集成電路（Power Management Integrated Circuit，PMIC）是極其重要的一環(huán)，主要由最大功率點(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。系統(tǒng)負(fù)載主要為處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過無線發(fā)射模塊發(fā)射出去。

2 電源能量管理控制電路設(shè)計(jì)方案

2.1 整體設(shè)計(jì)

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。

系統(tǒng)溫差能量采集和應(yīng)用電路原理圖略——編者注。其主要是由芯片BQ25504、MIC841N、TPS78001和儲(chǔ)能電容器，以及相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成。TI公司生產(chǎn)的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提取能量。BQ25504是一個(gè)16引腳、3mm×3mm封裝的高效率能量管理芯片，16個(gè)引腳依次逆時(shí)針分布，通過合理應(yīng)用這些引腳的相應(yīng)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，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。在本設(shè)計(jì)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)起到至關(guān)重要的作用。同時(shí)，通過外圍電路設(shè)定過壓和欠壓電路保護(hù)，保證芯片穩(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，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。其工作特點(diǎn)是，通過不斷檢測(cè)引腳VDD上的電壓，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公司生產(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)外圍電路的電阻參數(shù)使輸出得到一個(gè)穩(wěn)定的電壓，這樣就可以穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)后面的無線傳感器發(fā)射節(jié)點(diǎn)。

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)

帶MPPT功能的DC－DC升壓電路和能量存儲(chǔ)電路原理圖略——編者注。其主要是由電能管理芯片BQ25504及其外圍電路構(gòu)成，主要功能是MPPT、DC－DC升壓變換，以及能量存儲(chǔ)電路。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。

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)電器產(chǎn)生電能的技術(shù)［7]。本文通過一定的電氣模塊調(diào)節(jié)微型溫差發(fā)電器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)電器輸出特性曲線，當(dāng)輸出電壓大約等于開路電壓的50%時(shí)可以得到最大輸出功率［8]。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)這一特性采用電阻比例分壓法，利用BQ25504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。

為了實(shí)現(xiàn)MPPT功能，在引腳VIN＿DC和引腳VOC＿SAMP分別接電阻ROC2和電阻ROC1。VIN＿DC通過ROC2接VOC＿SAMP，VOC＿SAMP通過ROC1接地，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?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采樣一次引腳VOC＿SAMP的電壓值，當(dāng)溫差發(fā)電器的輸出功率發(fā)生變化時(shí)，可以保證在較短時(shí)間內(nèi)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)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)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的電壓中持續(xù)汲取能量。BQ25504的充電電路由集成在芯片內(nèi)部的DC－DC升壓模塊構(gòu)成。內(nèi)部升壓模塊通過脈沖頻率調(diào)制將輸入電壓調(diào)節(jié)到芯片能量存儲(chǔ)設(shè)備需要的電壓。為了保護(hù)電能存儲(chǔ)（儲(chǔ)能電容器）設(shè)備壽命長(zhǎng)且高效工作，本文結(jié)合BQ25504為充電電路設(shè)定了欠壓閾值（VBAT＿UV）、充電完成閾值（VBAT＿OK）、過壓閾值（VBAT＿OV）。VBAT＿UV和VBAT＿OV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。

結(jié)合充電電路的實(shí)際情況，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：

其中，VBIAS是BQ25504的內(nèi)部參考電壓，其值為1.240V，并且本文約定RUV1＋RUV2＝10MΩ，ROV1＋ROV2＝10MΩ，ROK1＋ROK2＋ROK3＝10MΩ。得到：

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)用可以實(shí)現(xiàn)，在溫差能充足時(shí)，DC－DC轉(zhuǎn)換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時(shí)，儲(chǔ)能電容器可以暫時(shí)充當(dāng)能量源的角色，保證無線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠有效工作。同時(shí)，二極管D1的存在避免了儲(chǔ)能電容器反向給溫差發(fā)電器充電情況的發(fā)生。

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)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 MIC841N為核心的比較器電路設(shè)計(jì)

采用MIC841N作為電壓比較器，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)線性穩(wěn)壓器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。圖2所示是MIC841N工作參考電路，本文依托參考電路，通過合理設(shè)置外圍電阻等器件參數(shù)來實(shí)現(xiàn)比較控制功能。

圖2 MIC841N工作參考電路

首先連接好電路，Vin一端接前面電路的儲(chǔ)能電容器的正極，另一端通過電阻R2接入LTH端，LTH端和HTH端通過電阻R3相連，HTH端串接電阻R4后接地，Vout接TPS78001芯片的EN端。

根據(jù)MIC841N芯片的特性，低電壓閾值為：

高電壓閾值為：

對(duì)于MIC841N芯片來說，RREF＝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)所使用無線發(fā)射模塊的工作電壓范圍（2.4～3.0V），可知VIN（lo）＝2.4V，VIN（hi）＝3.0V，由此可以確定外圍電阻R4、R2、R3的阻值。在實(shí)際操作中，設(shè)定R4＋R2＋R3＝1MΩ，可以計(jì)算出：R2＝484kΩ，R3＝413kΩ，R4＝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，而其放電過程是電容器兩端的電壓緩慢下降的過程。雙電壓比較器MIC841N的Vin處的輸入電壓即是電容器兩端的電壓，那么MIC841N的輸出結(jié)果如圖3所示。

圖3 MIC841N輸出結(jié)果

從輸出結(jié)果可以看出，只有電容器的電壓在一定范圍內(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)而有效地利用能量。

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)際應(yīng)用中，儲(chǔ)能電容器兩端的電壓會(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)射模塊只能工作很短時(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)射模塊工作的電壓值。

本文采用TPS78001芯片作為穩(wěn)壓輸出設(shè)備。圖4所示為TPS78001的工作參考電路圖。

圖4 TPS78001的工作參考電路圖

TPS78001的輸出電壓可以通過設(shè)定電阻R1和R2的值穩(wěn)定在1.2～5.1V的任何一個(gè)值。Vout和VFB的關(guān)系如下所示：

VFB是內(nèi)部設(shè)定的參考電壓，它的值為恒定的1.216 V，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。在本文中設(shè)定R6＝1MΩ，因此

3 電路整體工作方式和測(cè)試

本文電路整體工作方式如下：首先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)生的電能功率很大，則電路給儲(chǔ)能電容器充電，同時(shí)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，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)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)，電路會(huì)一直工作下去。

實(shí)驗(yàn)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TI公司生產(chǎn)的RF2500模塊。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在溫差低至3℃的能量采集，可以將數(shù)據(jù)直線發(fā)送到相距62.7m的接收端。

結(jié) 語

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)，選擇BQ25504、MIC841N和TPS78001芯片設(shè)計(jì)相關(guān)外圍電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該自供電系統(tǒng)啟動(dòng)電壓低，能以最大功率點(diǎn)輸出；發(fā)射模塊傳送距離可達(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。該系統(tǒng)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。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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