微型溫差電池的無線傳感器節點自供電系統※＊

趙耀，侯春萍，由磊

（天津大學電子信息工程學院，天津300072）

引 言

在全球面臨能源緊缺、氣候變暖等嚴重問題的情況下，人類為了生存和發展而去開發和利用清潔能源技術。清潔能源包括太陽能、風能、熱能、振動能、海洋能，以及其他能量（如人體動能、生化能等）。隨著科技的發展，無線傳感器網絡技術已經滲透到人類生產和生活的方方面面。無線通信網絡已經逐步發展到任何人和物件之間能隨時、隨地通信的物聯網，網絡規模迅速擴大，但與此同時物聯網總體的穩定性和可持續發展問題也越來越突出。同時，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境惡劣的地區，這些地區的環境決定了人們無法使用化學電池為無線傳感器節點供電。為了解決這些問題，本文采用可再生能源（動態能源）為無線通信節點提供能量。

本文提出了一套微型溫差發電器供給無線傳感器網絡的系統。該系統以微型溫差發電器作為能量源，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，實現了從低至80mV的能量源采集能量［5]，利用外圍電路對能量源的最大功率點跟蹤控制，并結合能量緩沖器在必要時存儲能量，然后通過MIC841N雙電壓比較器和TPS78001超低壓差線性穩壓器實現了微型溫差能量的有效采集和利用［6]。該系統通過高效的能量收集和有效的能量管理實現了無線傳感器網絡的功能，成為了真正的能量自供給無線傳感器系統。

1 微型溫差發電器無線傳感器網絡節點架構

為了滿足微型溫差發電器供給的無線傳感器網絡系統的要求，本文設計了如圖1所示的無線傳感器節點發射端的系統架構。

由圖1可知，微型溫差發電器供電的無線傳感器網絡節點的發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（無線傳感器節點）組成。溫差電能收集器是由熱電轉換芯片組成的，可以根據實際應用場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，以滿足不同應用環境的需求。

圖1 微型溫差發電器無線傳感器網絡節點發射端架構

在微型溫差發電器供電的無線傳感器網絡節點中，電源能量管理集成電路（Power Management Integrated Circuit，PMIC）是極其重要的一環，主要由最大功率點跟蹤模塊（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。系統負載主要為處理傳感器采集到的數據，通過無線發射模塊發射出去。

2 電源能量管理控制電路設計方案

2.1 整體設計

電源管理控制電路主要包含了如下功能：最大功率點跟蹤、DC－DC升壓轉換和能量緩沖。

系統溫差能量采集和應用電路原理圖略——編者注。其主要是由芯片BQ25504、MIC841N、TPS78001和儲能電容器，以及相應的外圍電路構成。TI公司生產的BQ25504電源管理芯片主要實現了從熱能轉換模塊中以超低功耗提取能量。BQ25504是一個16引腳、3mm×3mm封裝的高效率能量管理芯片，16個引腳依次逆時針分布，通過合理應用這些引腳的相應功能，實現了微型能量的高效管理。除此之外，該芯片的一個顯著優點是擁有超低的工作啟動電壓，使得它可以在穩定工作時從低至80mV的能量源提取能量，并對超低電壓進行升壓轉換，以便后續電路進行存儲使用。在本設計電路中，搭配合適的外圍電路實現了從超低功率能量源采集電能的最大功率點跟蹤，這對于微型溫差能量自供給系統起到至關重要的作用。同時，通過外圍電路設定過壓和欠壓電路保護，保證芯片穩定工作。

MIC841N是一個超低功耗的具有內部參考電壓的雙電壓比較器，通過設置其電壓比較的上限和下限來驅動后面的線性穩壓器。其工作特點是，通過不斷檢測引腳VDD上的電壓，與引腳LTH和HTH上設定的工作電壓進行比較，從而確定輸出電壓（即引腳OUT的輸出信號）的高低，進而控制穩壓器TPS78001的工作狀態。

TPS78001是TI公司生產的超低功耗穩壓器，它可以實現電路輸出電壓的穩壓作用，通過設置相應外圍電路的電阻參數使輸出得到一個穩定的電壓，這樣就可以穩定驅動后面的無線傳感器發射節點。

2.2 具備MPPT功能的DC－DC升壓轉換以及儲能電路設計

帶MPPT功能的DC－DC升壓電路和能量存儲電路原理圖略——編者注。其主要是由電能管理芯片BQ25504及其外圍電路構成，主要功能是MPPT、DC－DC升壓變換，以及能量存儲電路。TEG（Thermoelectric Generator）即是微型溫差發電器，它輸出的是溫差電轉換的裸電壓。

2.2.1 最大功率點跟蹤（MPPT）功能電路設計

最大功率點跟蹤（MPPT）是一種最大化利用發電器產生電能的技術［7]。本文通過一定的電氣模塊調節微型溫差發電器溫差芯片的輸出電壓，從而實現溫差發電器輸出功率的最大化。根據已知的微型溫差發電器輸出特性曲線，當輸出電壓大約等于開路電壓的50%時可以得到最大輸出功率［8]。從TEG提取最大功率的技術主要是動態改變DC－DC轉換器開關頻率，本文根據這一特性采用電阻比例分壓法，利用BQ25504實現了輸出電壓為開路電壓的一半，進而實現了輸出功率的最大化。

為了實現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：

又因為TEG輸出的電壓大約等于開路電壓的50%時可以得到最大輸出功率，因此ROC1／（ROC1＋ROC2）的值應為1／2，因此ROC1＝ROC2，在電路設計實際中，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，當溫差發電器的輸出功率發生變化時，可以保證在較短時間內準確跟蹤到微型溫差發電器輸出功率的最大點，實現有效的電能采集。

2.2.2 DC－DC超低電壓升壓功能電路設計

BQ25504的另一個重要的功能就是可以實現在穩定工作時從低至80mV的電壓中持續汲取能量。BQ25504的充電電路由集成在芯片內部的DC－DC升壓模塊構成。內部升壓模塊通過脈沖頻率調制將輸入電壓調節到芯片能量存儲設備需要的電壓。為了保護電能存儲（儲能電容器）設備壽命長且高效工作，本文結合BQ25504為充電電路設定了欠壓閾值（VBAT＿UV）、充電完成閾值（VBAT＿OK）、過壓閾值（VBAT＿OV）。VBAT＿UV和VBAT＿OV的設定分別用于避免儲能電容器儲能設備過度放電和過度充電，盡可能延長儲能電容器的使用壽命。VBAT＿OK的設定用于控制充放電過程，進而控制整個電路的工作流程。

結合充電電路的實際情況，設定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計

本文設計的能量緩沖器電路是在BQ25504芯片的輸出位置通過一個二極管D1接入一個儲能電容器。通過儲能電容器的應用可以實現，在溫差能充足時，DC－DC轉換后的能量不僅能夠供給無線傳感器節點使用，而且多余的能量可以存儲在儲能電容器中，實現能量的最大節約；溫差發電器采集到的電量不足時，儲能電容器可以暫時充當能量源的角色，保證無線傳感器節點能夠有效工作。同時，二極管D1的存在避免了儲能電容器反向給溫差發電器充電情況的發生。

在實際應用中，按照這些阻值選擇電阻連接電路，即可實現對儲能電容器充放電的監測和保護，延長儲能電容器的工作壽命。

2.3 MIC841N為核心的比較器電路設計

采用MIC841N作為電壓比較器，以實現對儲能電容存儲電壓的檢測，并對后續線性穩壓器的工作狀態進行控制。圖2所示是MIC841N工作參考電路，本文依托參考電路，通過合理設置外圍電阻等器件參數來實現比較控制功能。

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MIC841N芯片的特性，低電壓閾值為：

高電壓閾值為：

對于MIC841N芯片來說，RREF＝1.240V。

由于本文是要驅動一個無線發射模塊，根據所使用無線發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。在實際操作中，設定R4＋R2＋R3＝1MΩ，可以計算出：R2＝484kΩ，R3＝413kΩ，R4＝103kΩ。

微型溫差發電器采集到的能量給儲能電容器充電是儲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的輸出結果如圖3所示。

圖3 MIC841N輸出結果

從輸出結果可以看出，只有電容器的電壓在一定范圍內的時候才能輸出一個高電平，這恰恰可以用來控制后續穩壓器模塊的中斷，進而有效地利用能量。

2.4 TPS78001為核心的儲能電容器放電穩壓電路設計

在實際應用中，儲能電容器兩端的電壓會隨著放電時間的延長逐漸下降。在本文研究的實例中，微型溫差發電器采集到的能量很有限，而后續的無線射頻發射模塊需要工作在一定的電壓范圍內，如果任由儲能電容器自由放電，那么無線射頻發射模塊只能工作很短時間，其他時間電容器的電壓都不夠無線射頻發射模塊使用，這部分電能就會被浪費掉。為了解決這個問題，必須添加一個受控的穩壓器來使儲能電容器的放電電壓穩定在一個可以使無線射頻發射模塊工作的電壓值。

本文采用TPS78001芯片作為穩壓輸出設備。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定電阻R1和R2的值穩定在1.2～5.1V的任何一個值。Vout和VFB的關系如下所示：

VFB是內部設定的參考電壓，它的值為恒定的1.216 V，而Vout需要穩定在3V左右，因此可得兩個電阻之間的關系。在本文中設定R6＝1MΩ，因此

3 電路整體工作方式和測試

本文電路整體工作方式如下：首先TEG將溫差能轉換為電能，電能通過MPPT接口實現電能功率的最大化利用，然后經過DC－DC升壓裝置將電壓升到3V左右，開始給儲能電容器充電。如果TEG產生的電能功率很大，則電路給儲能電容器充電，同時驅動后面的比較器、穩壓器以及無線發射模塊。若TEG產生的電能比較微弱，則首先給儲能電容器進行充電，隨著充電的進行，當儲能電容器中的電壓達到雙電壓比較器MIC841N的閾值電壓時，比較器輸出一個高電平，使穩壓器TPS78001處于使能工作狀態，穩壓器穩定工作，然后儲能電容器開始給后面的無線傳感器節點供電；當儲能電容器放電一段時間后，其電壓下降，當下降到MIC841N的低壓閾值時，MIC841N輸出低電平，此時穩壓器TPS78001處于中斷狀態，儲能電容器不再對外放電，而開始繼續充電，循環往復，電路會一直工作下去。

實驗中采用的TEG是德國Micropelt公司生產的TE－Core－direct，無線發射接收模塊使用TI公司生產的RF2500模塊。設計實現了在溫差低至3℃的能量采集，可以將數據直線發送到相距62.7m的接收端。

結 語

本文提供了一種基于微型溫差電池的無線傳感網絡節點自供電系統，選擇BQ25504、MIC841N和TPS78001芯片設計相關外圍電路。實驗結果表明，該自供電系統啟動電壓低，能以最大功率點輸出；發射模塊傳送距離可達62.7m，可直接放置于暖氣片、空調出風口等物體表面，實現微弱能源的采集和利用。該系統能有效解決無線傳感網絡節點能源供電問題，具備較高的實用價值。

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

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