基于太陽能技術的WSN節點多電源設計研究

龔瑞昆， 鄧朋浩， 張堪傲

(1. 華北理工大學電氣工程學院，河北 唐山 063210；2. 華北理工大學冶金能源學院，河北唐山 063210)

無線技術的不斷更新，WSN 以其覆蓋范圍廣、低功耗以及自組織等性能為人們所應用，為水質監測的研究和發展提供了有利條件，但是WSN 的節點大部分都是采用干電池或者蓄電池供電[1]，生存周期較短。太陽能技術的發展，為解決傳感器節點能源問題提供了新的手段。太陽能以其無噪聲、無污染、無地域限制等優點迅速發展成為最有潛力的可再生能源。文獻[1-2]中采用太陽能技術設計自供能的能量管理系統，文獻[3]設計太陽電池板和鋰電池的雙電源系統。在不同的場合WSN 節點的電源部分常常采用不同的供電方式，單片機為主的電源控制系統因其方便性和抗干擾性強漸漸為人們所研究。

本文提出一種單片機為主控制器的多電源供電系統。該系統分為太陽能、鋰電池以及儲能電容三種供電方式，通過隔離電路對供電方式進行選擇，太陽電池和儲能電容優先供電，最大限度延長鋰電池的使用壽命。

1 多電源供電系統總體框圖

供電系統框圖如圖1 所示，主要由充電管理電路、儲能電路、電池保護電路和電源輸入隔離電路組成。

圖1 供電系統框圖

太陽電池板輸出電壓不穩定，對鋰電池充放電管理不合理，因此充電管理電路使用高度集成的芯片CN3722 來進行充電管理，一方面對系統進行供電，一方面對鋰電池進行充電，為了避免能量浪費，儲能電路中的儲能電容將多余的能量儲存起來。CN3722 芯片通過對鋰電池電壓的監測，來避免鋰電池被過度充電，而保護電路采用芯片CN301 來避免鋰電池過度放電，進而起到保護鋰電池的作用。電源輸入隔離電路采用LTC4417 芯片智能監測判斷充電優先級，DC-DC 電路采用GM2101 芯片集成電路將電源輸入電壓轉換成節點所需電壓。

2 系統單元電路設計

2.1 電池的選擇

表1 所示為各種電池性能的比較。從表中可以看出，聚合物鋰電池相比于其他種類的電池，負荷力要高一些，循環壽命長，自放電率符合低功耗的要求，而且其中沒有有毒物質，不會造成環境污染，所以本設計采用聚合物鋰電池，一般正常工作電壓為3.6～4.2 V。

表1 可充電電池性能比較

2.2 太陽電池板的選取

選取太陽電池板時主要考慮太陽電池板的最大輸出電壓和電流，還有它的光電轉換效率，負載的實際功率等因素，要因地制宜地選擇符合當地天氣情況的太陽電池板。根據轉換效率的高低，太陽電池板可以分為單晶硅和雙晶硅，單晶硅的穩定性較好，轉換效率相比多晶硅也高一些，但是由于單晶的有刀角而非完整的正方角，制作成本較大，市場使用較少。

本文采用的是單晶電池板，考慮到野外使用時，電池板的體積不宜太大，選用尺寸為100 mm×100 mm。

2.3 充電管理電路模型設計

太陽電池板根據光電效應原理把太陽能轉化成電能，通過充電管理電路對系統進行供電。充電管理電路由高度集成的芯片CN3722 構成，芯片性能優越，應用于很多電子設備。它不僅具有太陽電池最大功率點跟蹤功能，還具有電池溫度監測功能，以及封裝外形小、無毒等優點。充電管理電路模型如圖2 所示。

圖2 充電管理電路模型

當太陽電池板把太陽能轉換成電能，輸入到芯片CN3722集成的電路，當輸入電壓大于鋰電池端電壓，CN3722 對鋰電池進行充電。CHRG 引腳輸出低電平發光二極管D2亮，表示正在對鋰電池充電；DONE 引腳輸出低電平發光二極管D1亮，表示充電完成。 芯片CN3722 中MPPT 管腳被調制在1.04 V，配合R8和R9形成對太陽電池最大功率點跟蹤，可得公式：

同時還需要考慮一些外接元器件的參數設置。例如，補償電容C14的數值根據電阻R15和R16設置為：肖特基二極管D3、D4和電感等元器件根據充電電流的大小選擇型號；輸出電壓Vbat和R6、R7組成分壓網絡與FB 管腳形成反饋回路，輸出電壓公式為：

在TEMP 腳和GND 腳之間設置控制電路，接入熱敏電阻R10，通過監測鋰電池溫度變化，執行禁止充電操作以此來避免對鋰電池過度充電，實現保護作用。

鋰電池的充電過程如圖3 所示。充電過程分為三個階段，分別為涓流充電、恒流充電、恒壓充電。設置電壓檢測閾值為3 V，當電壓低于閾值時，CN3722 芯片的FB 端檢測到電壓，對鋰電池進行涓流充電，也就是預充電；充電一段時間后，電池電壓達到閾值開始第二階段恒流充電；隨著對鋰電池的充電，電池電壓達到4.2 V 時，充電電流逐漸減小，自動調整為恒壓充電模式。這里設置充電結束閾值為2.7 V，當電流減小到結束閾值時結束充電。第三階段采用小電流主要是為了防止“虛充”。

圖3 鋰電池充電過程示意圖

2.4 電池保護電路設計

保護電路的設計是為了防止鋰電池過度放電，延長電池壽命，但是對保護電路本身的功耗也是有要求的，盡可能減少系統功耗。設計選用CN301 芯片組成的低功耗電池電壓監測集成電路，搭建電路模型如圖4 所示。它的基本工作原理是通過判斷是否達到鋰電池過度放電低電壓閾值，來決定LBO 端的電平高低。當LBO 處于低電平，NMOS 管關斷，PMOS 管的柵極電平拉高，電池到負載的放電回路被阻斷，電池不能放電。

圖4 保護電路模型

通過公式(3)可以利用下行閾值求出LBO 轉變為低電平時的電池電壓值，也就是電池過度放電的電壓值，下行閾值設置為Vfth=1.14 V。從公式中可以看出R1和R2對電池電壓影響很大，一般選擇阻值比較大的，這里選擇R1為200 kΩ，R2為100 kΩ。

2.5 儲能電路

儲能電路的工作原理主要是利用超級電容將電能儲存起來，避免能量的浪費。系統采用HR-2R7-J407UY LR 型號的超級電容，額定電壓為2.7 V，額定電容為400 F，它的儲能過程不同于化學電源是物理變化，抗干擾能力強，生存周期也長。工作原理如圖5 所示。

圖5 超級電容工作原理

超級電容是依靠雙電層和氧化還原假電容電荷存儲電能，當超級電容器兩端被加電壓時，兩個極板會分別存儲正、負電荷，極板中間會形成一個電場，為平衡電解液的內電場，電解液中的正負電荷會向兩邊移動，如此形成雙電場，這種電荷分布層叫做雙電層，電容量非常大。當電容放電對系統供電時，電極板上的電荷被外電路釋放，電解液界面上的電荷因為外電場作用減弱而逐漸減少，逐漸恢復到原狀態。由此可以看出，超級電容的儲能和放電過程是物理變化的。

2.6 輸入隔離電路和DC-DC 電路設計

電源輸入隔離電路采用芯片LTC4417 構成的集成電路，它非常適用于三個電源輸入的設計電路，通過引腳的分配來確定輸入電源的優先級，其中V1 為最高優先級，V2 為次級，V3 為最低的優先級。本系統將太陽電池板設置為最高優先級電源輸入，最大限度利用自然資源，儲能電容為第二優先級，鋰電池設置為最低優先級，盡可能減少電池的充放電，延長生存周期。

圖6 所示為LTC4417 芯片的電源分級部分引腳示意圖。當電源電壓在OV 和UV 窗口之間時，稱為有效電源即對系統進行供電的電源。這里太陽電池板輸入電壓為V1=5.5 V，超級電容輸入電壓為V2=5.5 V，鋰電池正常工作輸入電壓為V3=3.7 V。通過對電源電壓的監測來管理輸入電源。

圖6 LTC4417芯片部分引腳示意圖

DC-DC 轉換電路要根據系統電壓的轉換需求來設計。傳感器節點工作電壓一般為3.3 V,由輸入隔離電路可知各電源的輸入電壓都大于3 V，所以需要設計降壓型轉換電路。此設計采用GM2101 芯片構成的集成電路，它是一種可以將輸入電壓轉換為3.3 V 的高效同步降壓轉換器芯片，獨創的FCOT 技術增加了轉換效率，而且具有低噪聲，輸入范圍寬等優點。

3 測試結果與分析

通過對充電管理電路的設計，在實驗中監測太陽電池板對鋰電池的充電情況，記錄電壓變化情況。圖7 為CN3722 芯片集成電路焊接示意圖，圖8為芯片CN3722的PCB示意圖。

圖7 CN3722芯片集成電路焊接示意圖

圖8 CN3722芯片的PCB示意圖

在實驗中監測太陽電池板、超級電容和鋰電池的電壓變化，繪制成折線圖，監測周期為24 h，如圖9 所示。隨著太陽光照強度的增強，太陽電池板電壓逐漸增強，同時也開始對鋰電池進行充電，起始鋰電池電壓為3.8 V，一直充電達到飽和狀態4.2 V。到夜間7 點之后，基本無太陽光，太陽電池板無輸出，停止對鋰電池充電。到夜晚儲能電路中超級電容進行放電，對系統進行供電。當電容放電到一定程度電壓下降后，鋰電池開始對系統進行供電。電容電壓從0.7 V 升到4 V只用了一個小時左右，在整個實驗期間，鋰電池的使用時間相對其他電源來說非常短，充放電次數明顯減少。

圖9 電壓變化曲線

4 結束語

以單片機為主控電路，設計為WSN 節點提供持續能量的多電源供電系統。利用太陽能技術，結合鋰電池和超級電容設計集成電路，采用CN3722 芯片和太陽電池板，自動控制和管理鋰電池的充放電，超級電容存貯多余的太陽能能量，太陽電池板和電容主要對系統進行供電，盡可能減少鋰電池的充放電次數，延長生存周期。通過對三種電源電壓的監測，可以得出該硬件電路在WSN 節點供電的測試中是行得通的，能達到延長鋰電池使用年限的目標。而且該硬件抗干擾能力強，運行穩定，在無線傳感器網絡節點的開發和應用中具有很高的使用價值。