針對能量收集型無線遠程傳感器網(wǎng)絡的實用電源管理設計考慮

　　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)的標準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、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計換能器和電源管理器件。圖 1 示出了一個典型的無線遠程傳感器節(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，我們將能夠決定產(chǎn)生期望的數(shù)據(jù)和 RF 收發(fā)器功率需要多大的處理功率以及傳輸此類數(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)最終應用進行相應的優(yōu)化。由此我們可以計算出系統(tǒng)占空比和平均功率。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

表 2：微控制器和 RF 鏈路的典型功率要求

　　舉個例子，假設我們需要設計一款自主型室內(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 .003) + (3.3V x .03) = 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換能器低。由上面的例子可見，所需的平均功率 (Pa) 接近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)。

　　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)。當暴露于溫差環(huán)境中時，TEG 將利用塞貝克 (Seebeck) 效應在其輸出端上產(chǎn)生一個輸出電壓 (見圖 2)。為了進一步說明我們的例子，假設選擇了一個 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)過仔細的測量，我們確定：當把 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 TEG ROUT = 功率轉(zhuǎn)換器 (或負載) RIN 時，可輸送至負載的功率達到最大。

圖 2：典型 TEG