電力物聯網中低功耗數據采集電路的優化設計

(揚州大學信息工程學院 江蘇 揚州 225009)

引言

日常生活中，我們所用的電都是通過高壓輸電線傳輸的，輸電線上的溫度過高或過低時都會引起安全問題，因此它的安全問題逐漸引起人們的重視。保護高壓輸電線路[1][2]主要包括輸電線預防和輸電線作業兩部分，高壓輸電線的安全預防作為確保輸電線安全的主要解決措施，必須有實時性和可靠性。傳統的預防措施往往都是人力巡線，出現問題時不容易被及時發現，進而產生后續一系列的問題。因此構建物聯網平臺[3][4][5]來實現對高壓輸電線溫度的智能化管理[6][7][8]就應運而生。如今，電力物聯網平臺已經成為電力行業的熱門話題，電力物聯網平臺是物聯網發展的產物，沒有物聯網作基礎，電力物聯網平臺也就不會存在。被譽為第四次工業革命[9][10]之一的物聯網技術正引起越來越廣泛的關注，上至各個國家，下至各傳統車企、各高等院校，都相繼投入人力物力進行物聯網平臺的研究。本文討論的降低功耗[11][12]的方法就是應用在檢測輸電線溫度的電路中的一種方法，輸電線溫度檢測在生產生活中運用相當廣泛，但同時也顯露出電路功耗過高導致電池持續工作時間不長的弊端。在前輩的研究基礎上，本篇文章會對采樣電路[13]進行簡述，并對電路適當修改以延長電池工作時間[14]，降低功耗。

一、采樣電路原理

采樣電路在規定的某一時刻接收輸入電壓，并在輸出端保持該電壓直至下次采樣開始為止。采樣電路通常有一個模擬信號輸入、一個控制信號輸入及一個模擬信號輸出，此外還有一個保持電容、一個開關和一個單位增益為1的同相電路構成。采樣工作在采樣狀態和保持狀態的兩種狀態之一。采樣時，開關接通，它盡可能快地跟蹤模擬輸入信號的電平變化并保持信號的到來;而在保持狀態下，開關斷開，跟蹤停止，它一直保持在開關斷開前輸入信號的瞬時值。圖1為采樣電路的原理圖：

圖1 采樣電路原理

二、電路分析

從上文中對采樣電路的原理介紹，我們可以看出電池連續工作時間比理論上少的原因在于電路在保持狀態的時候采樣電路仍在供電。采樣電路在采樣狀態和保持狀態的循環作用下采集并上傳電壓值，調試中發現低功耗狀態時電流值在15ua左右。但是，理論來說2ua的電流才能算作低功耗，相差較大，為延長電池連續使用時間，需要對采樣電路進行改進。

本文所采用的降低功耗的方法，是對采樣電路進行適當修改，加入P型MOS管和N型MOS管各一個，兩個MOS管協同作用，在休眠前斷開采樣電路，這樣將大大降低采樣電路的功耗。由于要通過PMOS管和NMOS管的共同作用來實現對采樣電路的控制，最終降低功耗，所以要對過程進行分析，確定什么時候斷開采樣電路，什么時候重新啟動采樣電路，這里運用到電路基礎的相關知識。圖2為整個采樣電路的運行流程圖：

圖2 采樣電路運行流程圖

三、電路設計

根據圖2的流程圖，我們可以看到電路對電壓進行采樣時，首先一部分是用于減小系統與相位誤差的RC濾波[15]環節，一般由電容和電阻組成。其次，由于單片機通常的工作電壓在3.3V，而電路此時采集到的電壓值較高，所以設計兩個電阻進行并聯，使得每一條線路上的電壓降為原來的一半。接著，P型MOS管與N型MOS管相比，是一個高端驅動，此時電壓值相對較高，那么自然選擇放置一個P型MOS管，設置為PMOS管的柵極與NMOS管漏極相連，PMOS管漏極與電源相連。此次的設計采用P型和N型MOS管相互配合的方式實現對電路的控制，單個型號的MOS管無法實現此目的，所以還要放置一個N型MOS管與PMOS管共同作用。NMOS管的源極接地，柵極與限流電阻相連，一般用作低端驅動。最后，必不可少的是加一個限流電阻，以防在戶外工作環境中，可能出現輸電線上電壓過高導致采樣電路中電流過大進而燒壞單片機的情況。經改進后的采樣電路設計如圖3：

圖3 采樣電路圖

(一)濾波器設計

(二)MOS管的導通與閉合

RC濾波只是對信號在頻率上進行限制，通過兩個電阻的并聯來實現電壓的減半，這樣的連接在數據采集等方面都沒有問題，但低功耗的問題沒有真正解決，原因就在于在低功耗狀態下，采樣電路一直在導通狀態，持續供電。因此，要實現電路功耗的降低，最關鍵的一步是添加N型MOS管和P型MOS管，控制它的開與關來控制采樣電路的導通與斷開。

在MOS管具體選型上，現階段我國高壓輸電線傳輸距離在200km至300km時，傳輸電壓為220kv，通過10KΩ的分壓電阻后，則電流值約為11A，同時為減少導通損耗，MOS自身的電阻值也應盡可能的小，因此選用IRFP9240這一型號的P型MOS管。具體來講，當PMOS管的柵極相對于源級的電壓(即Vgs)小于導通電壓200V時，PMOS管導通，作為高端驅動持續采樣，數據通過PMOS管向后傳輸。通過采樣電路采集到的小于200V的電壓通過PMOS管后傳至NMOS管，經過電阻R9分壓后此時的電壓有所降低，后面還有R13電阻對電流進行限制，所以選擇的NMOS管的型號為2SC3807。NMOS管作為低端驅動，其導通條件恰好與PMOS管相反,當Vgs 大于導通電壓30V時，NMOS管正常工作，電壓值繼續傳輸，直至采樣結束。采樣結束后電路進入保持狀態，最后通過單片機中的指令將數據上傳。

在采樣電路進入休眠狀態前，讓PMOS管的Vgs大于導通電壓200V，即使得它處于高電平狀態，PMOS管斷開。此時，采樣電阻已經與PMOS管隔離開，傳輸到NMOS管的電壓均來自于PMOS管，PMOS管又沒有來自采集到電壓通過，所以將低電平傳輸至NMOS管。而NMOS管雖然是低端驅動，但是柵極電壓要至少達到4V才能工作，從PMOS管傳來的電壓已顯然達不到其導通要求，因此NMOS管也被斷開，整個采樣電路也就被斷開。3.3 電路功耗的計算功率損耗(即功耗)指元器件的輸入功率與輸出功率之差，理論公式可表示為：

P=U1*I1-U2*I2

其中，U1和I1分別為輸入電壓和輸入電流，U2、I2作為輸出電壓、電流。但是在實際應用中，一般使用電池容量C=電池電流I*電池放電時間T這一公式，而電池容量往往又是精確到mAH數量級，因此只要測得電流(精確到uA級)就可以得到大概的電池放電曲線，進而推算出電池的理論壽命。運用萬用表的電流mA擋，不難測得采樣電路電流大約為2.3ua,與理論上的低功耗值2ua相差無幾，符合低功耗電路的要求。

四、結束語

通過在電路中添加P型和N型MOS管各一個，本文將電壓采樣電路進行了一定的優化，在不妨礙正常采集電壓值的前提下，把采樣電路在進入休眠狀態前斷開，將電路功耗降低到2.3ua左右，大大延長了電池的連續使用時間。但是，本次電路修改只針對戶外輸電線上溫度的在線監測[16]，如果應用于室內或其他環境中，可能還需要其他改進。對此，希望有識之士能夠提出寶貴意見，共同改進采樣電路，不斷降低電路功耗。