無線傳感電源系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)攻略 —電路圖天天讀（182）

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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

　　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。

　　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。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

　　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。

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