針對能量收集型無線遠(yuǎn)程傳感器網(wǎng)絡(luò)的實用電源管理設(shè)計

摘要：

隨著極低功率傳感器、微控制器和射頻 (RF) 收發(fā)器的易用性和性能的不斷提升，采用能量收集技術(shù)來專門供電或作為補充供電方式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越接近現(xiàn)實。超低功率無線協(xié)議已開始逐步被業(yè)界所廣泛接納，而且相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也在積極的制定之中。擺脫了交流電源或電池電源束縛的傳感器網(wǎng)絡(luò)為實現(xiàn)更大的靈活性、更低的維護成本、更高的安全性以及廣泛的普及提供了可能性。僅僅幾年之前還無法想象的應(yīng)用如今憑借能量收集技術(shù)將有望成為現(xiàn)實。新涌現(xiàn)的電源管理產(chǎn)品能夠?qū)⒏鞣N能量收集換能器 (TEG、光伏、壓電、電磁) 的使用不便、斷斷續(xù)續(xù)而且常常微乎其微的輸出轉(zhuǎn)換為適合當(dāng)今電子產(chǎn)品的可用電平。然而，對于這些電源管理器件，需要一種新的規(guī)格擬訂、分析和設(shè)計方法，以充分發(fā)揮各換能器元件以及最終由它們供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)電子線路的功能。

無線傳感器并不是新生事物。如欲通過運用能量收集技術(shù)而使其成為半自主型或全自主型器件，則需正確地選擇和設(shè)計換能器和電源管理器件。圖 1 示出了一個典型的無線遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點。迄今為止，在該系統(tǒng)中缺失的一環(huán)一直是電源管理解決方案?？商峁┕β实膿Q能器使用起來常常極為不便——要么產(chǎn)生一個非常低壓的低阻抗輸出，要么產(chǎn)生一個非常高壓的高阻抗輸出。此系統(tǒng)中的各種單元可以進一步細(xì)分為功率發(fā)生器/調(diào)節(jié)器 (換能器和電源管理) 和功率耗用部件 (其他所有單元)。簡而言之，如果能量收集系統(tǒng)的平均輸出功率能力超過了遠(yuǎn)程傳感器電子線路所需的平均功率，則有可能實現(xiàn)一個自主型系統(tǒng)。

圖 1：典型的無線傳感器系統(tǒng)

對于任何設(shè)計來說，在啟動之前開展一次快速可行性分析都是值得的。這甚至連能量收集技術(shù)是否切實可行都可迅速地加以確定。第一步是決定所需的測量頻度和測量結(jié)果發(fā)送頻度。我們將把此稱為測量頻率 (F)。接著，我們就能夠確定傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理電路產(chǎn)生期望的數(shù)據(jù)需要多大的處理功率、以及 RF 收發(fā)器功率和傳輸該數(shù)據(jù)所需的時間。表 2 給出了常見微控制器和 RF 鏈路系統(tǒng)的典型功率要求。這些功率要求會因制造商以及特定的應(yīng)用而有所不同。有許多種可供選擇的方案，而且它們可以根據(jù)最終應(yīng)用進行相應(yīng)的優(yōu)化。由此我們可以計算出系統(tǒng)占空比 (D) 和平均功率。系統(tǒng)占空比的定義為：[ (測量時間 (Tm) + 處理時間 (Tp) + 發(fā)送時間 (Tt)] x 測量頻率 (F)。平均功率 (Pa) 就是總功率 (P) x D + 待機功率 (通常小至足以忽略不計)。

表 1：典型能量源及其功率能力
能量收集源 典型功率范圍 K
太陽能 (室內(nèi)/室外) 單體電池 10μW~40mW/cm2 0.6～0.8
振動能 (壓電) 4μW~100uW/cm2 0.8～0.9
熱能 (TEG) 25μW~10mW/cm2 0.3～0.5

表 2：微控制器和 RF 鏈路的典型功率要求
處理電流/睡眠模式
處理器功率 3mA/500nA
RF 鏈路 20~30mA (1~10ms)

舉個例子，假設(shè)我們需要設(shè)計一款自主型室內(nèi)溫度傳感器。該傳感器將被部署在一座大型辦公樓內(nèi)，通過與近接傳感器的耦合將能夠檢測出室內(nèi)是否有人員活動并相應(yīng)地調(diào)節(jié)溫度。在一幢大型樓宇內(nèi)安放此類傳感器可以顯著地降低每年的供暖和致冷成本。在 3.3V 電壓條件下，這些傳感器需要 500μA的電流和 2ms 的時間來測量溫度和檢測屋內(nèi)的人員狀況。一個低功率微控制器需要另外花費 5ms 的時間來處理該數(shù)據(jù)。在處理數(shù)據(jù)時，該微控制器的電流消耗為 3mA (在 3.3V)。最后，RF 鏈路需要 20mA 電流 (在 3.3V) 和 30ms 時間來發(fā)送數(shù)據(jù)。期望的測量頻率為 0.2Hz (即每 5 秒進行一次測量)。

D = (Tm + Tc + Tt) x F = (2ms + 5ms + 30ms) x 0.2Hz = 0.0074
總功率 (P) = (3.3V x 500uA) + (3.3V x .003A) + (3.3V x .03A) = 110.6mW
平均功率 (Pa) = D x P = 0.0074 x 0.1106 = 818μW

Pa (即平均功率) 是關(guān)鍵項，它將告訴我們哪些類型的能量收集換能器 (如果有的話) 會適合該系統(tǒng)。表 1 羅列了一些典型的換能器以及它們所能提供的典型平均功率。用 (K) 標(biāo)示的豎列所給出的是功率轉(zhuǎn)換常數(shù)，它考慮到將換能器能量轉(zhuǎn)換為一個可用電壓 (在此場合中為 3.3V) 所需的電源管理模塊的類型。理想的功率轉(zhuǎn)換器具有一個 K = 1。K 將因所采用的換能器類型的不同而存在差異。一般來說，K 與換能器的輸出電壓成比例。由于非常低輸出電壓換能器 (例如：TEG) 需要一個極高的升壓比以及相應(yīng)的高輸入電流，因此其功率轉(zhuǎn)換常數(shù)K 往往要比諸如壓電元件等非常高輸出電壓的換能器更低。由上面的例子可見，所需的平均功率 (Pa) 逐漸接近大小合適的壓電換能器的功率范圍上限，但處于 TEG 和光伏 (PV) 換能器或太陽能電池的功率能力范圍之內(nèi)。

圖 2：典型 TEG

圖 3：測量和發(fā)送周期中的典型電流脈沖

圖 4：測量和發(fā)送周期中的 VOUT 紋波

系統(tǒng)環(huán)境通常將限定所選擇的換能器類型。在我們所舉的例子中，我們不可能依賴某種始終可用的光源，因此 PV 換能器并不實用。由于我們已經(jīng)處于壓電換能器所能提供的功率上限，故而我們決定使用一個 TEG (熱電發(fā)生器)。當(dāng)暴露于溫差環(huán)境中時，TEG 將利用塞貝克 (Seebeck) 效應(yīng)在其輸出端上產(chǎn)生一個電壓 (見圖 2)。為了進一步說明我們的例子，假設(shè)選擇了一個 50mm2 TEG。TEG 的一端將安裝至天花板中的 HVAC 管道，另一端則暴露在室溫空氣中。由于 TEG 的熱阻非常低，要在其兩端上產(chǎn)生一個合適的溫差 (ΔT) 常常頗具挑戰(zhàn)性，因此在室溫側(cè)將采用一個散熱器。我們的測量結(jié)果表明：在平均室溫為 25ºC 的情況下，冬季 (供暖) 中 HVAC 管道表面的平均溫度為 38ºC，而夏季 (致冷) 中則為 12ºC。經(jīng)過仔細(xì)的測量，我們確定：當(dāng)把 TEG 和一個散熱器安裝至 HVAC 管道時，TEG 兩端的 ΔT 大約為 ±10ºC。從制造商提供的產(chǎn)品手冊我們可以發(fā)現(xiàn)：10ºC ΔT 時的 TEG VOUT 為 180mV。TEG 輸出電阻 (ROUT) 為 2.5Ω。當(dāng) TEG ROUT = 功率轉(zhuǎn)換器 (或負(fù)載) RIN 時，可輸送至負(fù)載的功率達到最大。

如果我們假設(shè)電源管理電路具有一個接近 2.5Ω 的 RIN，則可提供至功率轉(zhuǎn)換器輸入端的最大功率為 180mV2/(2.5Ω x 4) = 3.24mW。我們的功率轉(zhuǎn)換器常數(shù) (K) 為 0.4，因此可輸送至遠(yuǎn)程傳感器 3.3V 輸出的總功率為 3.24mW x 0.4 = 1.3mW。由于 1.3mW 明顯高于此前計算得出的 818μW 平均功率 Pa，我們似乎擁有了運作所需的足夠功率。

我們面臨的下一個棘手難題是用于把 TEG 的非常低輸出電壓轉(zhuǎn)換至所需的 3.3V 電壓的電源管理電路。此外還有一個難點是輸入電壓可以是 +180mV 或 -180mV (取決于管道表面是熱還是冷)。雖然或許可以通過開發(fā)一款分立電路來解決該難題，但是，若想實現(xiàn)一種能夠滿足針對可制造性、小尺寸和可靠性之系統(tǒng)要求的解決方案，往往非常困難。此外，電路設(shè)計對于雜散電容極為敏感，而且整個電路必需為微功率型以實現(xiàn)額定 K 因數(shù)。幸運的是，現(xiàn)在已經(jīng)有了一款集成化解決方案。圖 5 示出了一種采用 LTC3109 的示例電路。LTC3109可在低至 ±30mV 的輸入電壓條件下運作，并將產(chǎn)生 4 種預(yù)編程輸出電壓 (VOUT) 中的任一種：(2.35V、3.3V、4.1V 或 5V)。該器件提供了一個可開關(guān)的 VOUT，用于在需要時為我們的傳感器供電。LTC3109 還包括一個電源管理器，可用于儲存和利用剩余的收集能量。由于我們的典型負(fù)載功率低于可用能量，因此可以將任何剩余的能量存儲于 CSTORE 以供日后使用。

圖 5：LTC3109 電源管理電路

圖 3 和圖 4 示出了 LTC3109 在一個測量/發(fā)送周期之前、之中和之后的 3.3V 輸出。VOUT 上電容器的大小根據(jù)一個測量/發(fā)送周期可接受的電壓降來確定。在我們所舉的例子中，我們確定 3.3V 輸出端上的可接受電壓降為 300mV。采用先前獲得的數(shù)值，我們可以計算出所需的 COUT：

COUT = (ILOAD - IAVG) x dT/dV
= [(30mA x 30ms + 500uA x 2ms + 3mA x 5ms) - (1.3mW/3.3V)] / 0.3V
= 1.74mF，選擇一個標(biāo)稱值為 2200μF 的電容器。

式中：
ILOAD = 3.3V 輸出端上所有負(fù)載之和
IAVG = LTC3109 的平均輸出電流
dT = 負(fù)載脈沖的持續(xù)時間
dV = 可接受的電壓降

圖 4 中的實際電壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 300mV。針對簡單被測量系統(tǒng)的較低電流發(fā)送脈沖持續(xù)時間以及較高的輸出電容是造成這種狀況的原因。

圖 6 示出了能量收集換能器輸入暫時中斷期間的 3.3V 輸出。在該場合中，LTC3109 從存儲電容器 CSTORE 獲取工作電源。對于CSTORE 的數(shù)值沒有限制，因此其大小可針對任何期望的系統(tǒng)保持時間來確定。

圖 6：輸入電源中斷期間的運作

以上概要描述的基本設(shè)計程序適用于其他類型的能量收集換能器。目前，與壓電元件 (高電壓 AC)、電磁 (線圈/磁鐵) 和光伏 (太陽能電池) 相連的電源管理電路很容易獲得。在所有的場合中，首先都必需確定所需的平均負(fù)載功率，以了解自主型操作是否可行。

概要：
在考慮使用能量收集技術(shù)來為遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的電池提供補充和替代電源時，平均負(fù)載功率是關(guān)鍵的變量。至于采用何種類型的能量收集換能器合適，工作環(huán)境將始終是限定因素，而平均負(fù)載功率將進一步縮小選擇范圍。如今已經(jīng)有了可填補低功率級換能器與超低功率微控制器、傳感器和 RF 鏈路之間空缺的電源管理解決方案。由于所有必要的元件均已就緒，因此半自主型或全自主型遠(yuǎn)程傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)脫離了純理論研究的階段，而且將隨時進入主流。