基于S_882Z的能源采集電路設(shè)計(jì)*

(陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031)

基于S_882Z的能源采集電路設(shè)計(jì)*

劉芳許剛岳偉甲

(陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031)

電源在整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有極其重要的意義,為了滿足系統(tǒng)為微型傳感器節(jié)點(diǎn)供電的需求,論文設(shè)計(jì)了采用充電泵實(shí)現(xiàn)超低壓啟動,雙電容蓄能,兩級變壓的微弱能源采集電路。該電路能夠在低溫差條件下為蓄能電路積累能量,實(shí)現(xiàn)低溫差環(huán)境下的微弱能量采集,并能夠根據(jù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的間歇性工作的特點(diǎn),快速做好供電準(zhǔn)備。

溫差發(fā)電; 無線傳感器; 超級電容; 微弱能源

ClassNumberTP211

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正在逐漸成為一個非常重要的技術(shù)領(lǐng)域,已經(jīng)有低功率無線傳感器平臺進(jìn)入市場,而這些平臺的設(shè)計(jì)大都使用電池。由于普通電池的壽命有限,需要定期更換電池。這樣不僅工作量大,成本高,浪費(fèi)也嚴(yán)重;而且對于大面積的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說,如環(huán)境監(jiān)測時,電池的更換較難。因此,“無源”、“無線”是許多傳感器系統(tǒng)所追求的目標(biāo)。如何將自然環(huán)境中的能量并轉(zhuǎn)換為電能,實(shí)現(xiàn)傳感器的自供電,成為目前的研究熱點(diǎn)之一[1～2]。本文設(shè)計(jì)了基于充電泵S-882Z的微弱能源采集電路,該電路能在0.3V～0.35V輸入電壓下工作,解決了超低壓啟動問題[3～4];采用雙電容蓄能、與升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器配合等技術(shù),給微弱電壓的能源創(chuàng)造了一個有效利用的條件,適用于間歇功率輸出的傳感器節(jié)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

該裝置主要由熱電效應(yīng)發(fā)電片(溫差發(fā)電片)、超低工作電壓啟動電路、超級電容蓄能電路、升降壓電路等部分組成,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 能源采集電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

溫差發(fā)電片是由一對PN電偶臂構(gòu)成,使用時將溫差發(fā)電片一面與熱源接觸,另一面與大氣或者散熱片接觸,當(dāng)電偶臂兩端存在溫差時,PN結(jié)兩種不同熱電材料將產(chǎn)生塞貝克效應(yīng),從而在回路中產(chǎn)生電流[5～7]。溫差片發(fā)電的效率主要取決于熱端和冷端的溫度和溫差發(fā)電材料的品質(zhì)因數(shù)Z,Z值還強(qiáng)烈地依賴于溫度,因而對于不同的工作溫度需要選取不同的材料。充電泵模塊將溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電壓提升并穩(wěn)定在5V,給超級電容蓄能充電。蓄能模塊由兩個容值不同的超級電容構(gòu)成,按先充小電容再充大電容的方式進(jìn)行蓄能,小電容向傳感器系統(tǒng)提供低功耗狀態(tài)和正常工作時所需電量,大電容充則用于支持傳感器系統(tǒng)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)收發(fā)等功耗較大狀態(tài)所需電量。升降壓模塊根據(jù)負(fù)載的需要,將電壓穩(wěn)定3.3V輸出。電路采用兩級變壓和雙電容蓄能方式,在一定程度上降低了電能轉(zhuǎn)化效率,但大大提高了系統(tǒng)蓄能量并縮短了電路啟動時間和充放電間隔。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 超低工作電壓啟動電路

溫差發(fā)電是將余熱廢熱等低品位能源轉(zhuǎn)換為電能的有效方式,但溫差發(fā)電效率遠(yuǎn)低于火力發(fā)電、水力發(fā)電、光伏發(fā)電等常見的發(fā)電方式。電路采用的TEG1-241系列溫差發(fā)電片,發(fā)電效率約為3%,當(dāng)溫差40℃時可以得到2.2V的開路電壓,發(fā)電電流為390mA,但在實(shí)際應(yīng)用中,由于散熱材料和尺寸的限制,溫差常小于10℃,電壓低于1V,甚至低于0.5V。傳統(tǒng)的充電泵的最低輸入電壓在0.9V～1.0V之間,升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器的最低輸入電壓為1.0V左右(啟動電壓為0.6V～0.7V)。如果輸入電壓降到0.6V以下,則傳統(tǒng)的充電泵或DC/DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的電路(如振蕩器等)不能正常工作。為了克服這一難點(diǎn),系統(tǒng)采用精工電子有限公司推出的S-882Z超低電壓升壓的方案,該芯片采用了完全耗盡型SOI技術(shù),能在0.3V～0.35V輸入超低電壓下工作,給微弱電壓電源的應(yīng)用開創(chuàng)了良好的條件[3]。

使用該芯片可以將輸入工作電壓VIN的范圍擴(kuò)展到0.3V,并對于輸入電壓在0.9V以上(包括0.9V),但需較大輸出電流情況下激活的升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器來升壓,均可用S-882Z來啟動升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器。所以,對于溫差片發(fā)電等超低電壓的應(yīng)用而言,顯然具有實(shí)際意義。如圖2所示。

圖2 充電泵S-882Z工作原理

其中VM端是升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓監(jiān)視端子,所監(jiān)視的輸出電壓開始上升,當(dāng)VM端子電壓達(dá)到開/關(guān)控制電壓以上時,S-882Z會轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝郀顟B(tài)。轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝郀顟B(tài)后,由于內(nèi)部的振蕩電路停止工作,因此充電泵也會相應(yīng)地停止工作,而大幅度抑制消耗電流。

當(dāng)輸入端VIN輸入0.3V以上的電壓時,振蕩電路就可以工作,輸出時鐘號(CLK),此信號將激勵充電泵電路給電容CCPOUT充電。由于是給電容充電,因此CPOUT端上的電壓是緩慢上升的。當(dāng)電容CCPOUT上的電壓上升到一定值,即達(dá)到放電開始電壓值時,比較器COMP1輸出低電平。正是由于低電平的作用,使放電控制開關(guān)P-MOSFET(M1)由“關(guān)”的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴_”的狀態(tài)。M1變?yōu)椤伴_”的狀態(tài)之后,電容CCPOUT處所充電的升壓電力會從OUT端子處開始放電;由于放電,當(dāng)CPOUT端電壓降低到放電停止電壓時,M1就會轉(zhuǎn)變?yōu)椤瓣P(guān)”的狀態(tài)而停止放電;當(dāng)VM端電壓達(dá)到開/關(guān)控制電壓以上時,比較器COMP2的輸出信號(EN-)從低電位轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娢?因此,振蕩電路會停止工作,并轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝郀顟B(tài);當(dāng)VM端電壓不能達(dá)到開/關(guān)控制電壓以上時,會利用來自充電泵電路的升壓電力來對電容CCPOUT進(jìn)行再充電,但在此之前CCPOUT必須已放電到其端電壓小于放電停止電壓,即M1處于“關(guān)”狀態(tài)。

本系統(tǒng)采用S-882Z芯片升壓穩(wěn)壓電路如圖3所示。

圖3 采用S-882Z芯片升壓穩(wěn)壓電路

其中,升壓電力存儲在外接的啟動用電容器C4中,C4電壓大于0.3V時S-882Z中振蕩電路開始工作,并將轉(zhuǎn)換后的升壓電力緩慢充至C3,用于啟動升壓DC/DC,合理選用C3、C4的容量可以實(shí)現(xiàn)升壓DC/DC的超低壓快速啟動。D3是一個5V穩(wěn)壓二極管,當(dāng)Vin大于5V時導(dǎo)通,用于保護(hù)升壓芯片U1輸入電壓不超過5V。這種結(jié)構(gòu)確保了溫差發(fā)電片在低溫差情況下能量的高效利用。

3.2 超級電容蓄能電路

系統(tǒng)采用超級電容作為系統(tǒng)的蓄能原件,將升壓后的電能儲存在超級電容內(nèi),并在需要時將能量送入系統(tǒng)。超級電容是一種介于靜電電容器與電池之間的新型儲能元件,存儲能量可達(dá)到靜電電容器的100倍以上,同時又具有比電池高出10～100倍的功率密度,具有充電速度快、使用壽命長、低溫性能優(yōu)越等特點(diǎn)[5～7]。

電容在放電過程中能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供的能量,即有效蓄能可表示為

(1)

其中U1是電容的放電閾值電壓,U2是電容的充電閾值電壓。放電時C越大,電容能夠提供的能量E也越大,充電時C越大,根據(jù)式(2)電容達(dá)到放電閾值電壓U1的時間也越長。當(dāng)電容C不變時,蓄能系統(tǒng)是無法同時實(shí)現(xiàn)縮短充電時間和提供更大的能量兩個目標(biāo)的。根據(jù)傳感器系統(tǒng)大部分時間工作在低功耗狀態(tài)的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了雙電容蓄能模式,蓄能電路如圖4所示。

圖4 蓄能電路

其中C22為小電容,C21為大電容。充電時,5V輸入電壓經(jīng)防反充肖特基二極管D21和D22后首先為C22充電,當(dāng)C22電壓大于放電閾值電壓U1后,C21才開始充電。當(dāng)C21未達(dá)到充電閾值電壓U2前,蓄能系統(tǒng)通過C22向外提供能量,當(dāng)C21電壓超過U2后,蓄能系統(tǒng)向外提供的能量相當(dāng)于六倍的C22。這種方式既能滿足傳感器系統(tǒng)在低功耗狀態(tài)下快速啟動的需要,又為高功耗狀態(tài)提供了強(qiáng)大的能量后備。

3.3 升降壓DC/DC電路設(shè)計(jì)

由于負(fù)載需要穩(wěn)定的輸出電壓,當(dāng)超級電容電壓降低時,為了繼續(xù)驅(qū)動負(fù)載,超級電容電壓必須通過DC/DC電路后輸出。電路采用TI公司的TPS63030升降壓芯片,它可以將1.8V～5.5V的電壓轉(zhuǎn)換為3.3V輸出,最大輸出電流1000mA,最高轉(zhuǎn)化效能達(dá)到96%。升降壓電路如圖5所示。

圖5 DC/DC升降壓電路電路

4 應(yīng)用案例

某傳感器節(jié)點(diǎn)放置于發(fā)動機(jī)附近,用于監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài),傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成。處理器采用集單片機(jī)于一體的CMT-MOV超低功耗無線收發(fā)系統(tǒng),工作電壓3.3V,其典型工作電流為10mA,低功耗狀態(tài)電流小于1mA,耗電可忽略不計(jì),傳感器和無線通信模塊啟動后工作電流為100mA左右。該傳感器節(jié)點(diǎn)一旦啟動,長期工作在低功耗狀態(tài);每次進(jìn)入典型工作狀態(tài)連續(xù)工作時間10s鐘左右;每間隔10min進(jìn)入大功耗狀態(tài)一次,連續(xù)工作不少于20s。根據(jù)上述指標(biāo),能量供應(yīng)模塊設(shè)計(jì)使用了一片TEG1-241發(fā)電片,放在發(fā)動機(jī)散熱片上,平均輸出電壓0.6V,輸出電流50mA,采用0.02F和1F兩個超級電容蓄能,放電域值電壓為3V,可充至4.7V以上。電路由于各種原件損耗,系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)化效能在80%左右[8～10]。

根據(jù)式(2)

(2)

當(dāng)小電容蓄能到3V時電路啟動,時間為根據(jù)式(2)計(jì)算為3s,此時,如果電路工作于典型工作狀態(tài),可工作時間理論值為25.8s?？紤]到系統(tǒng)效能的因素,實(shí)際可工作時間在20s左右。若系統(tǒng)一直處于低功耗狀態(tài),雙電容充電至4.7V時間根據(jù)式(2)換算為375s,當(dāng)系統(tǒng)處于大功耗狀態(tài)時計(jì)算理論工作時間為32s。考慮到系統(tǒng)效能的因素,實(shí)際可工作時間在24s左右。上述結(jié)果表明,本設(shè)計(jì)根據(jù)傳感器間歇工作的特點(diǎn)選取適當(dāng)?shù)碾娙莺头烹婇撝惦妷?可以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

5 結(jié)語

通過實(shí)例驗(yàn)證,本文設(shè)計(jì)的電路完全滿足傳感器節(jié)點(diǎn)供電需求,并且具備啟動時間短,對散熱要求不高,支持間歇大功率輸出的優(yōu)點(diǎn),可直接放置于發(fā)動機(jī)排氣管、空調(diào)出風(fēng)口、冷熱水管等物體表面,實(shí)現(xiàn)微弱能源的采集和利用,具備較高的實(shí)用價值。

[1]高錦超.基于節(jié)能策略的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議[J].電光與控制,2007,14(1):136-139

[2]楊世超,陶正蘇.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生物信息檢測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,2(20):184-188.

[3]SII DC/DC products for PMP Power management[Z].Seiko Instruments(HK)Ltd,2006.

[4]劉盼剛,文玉梅,李平,等.一種磁電自供電無線傳感器電源管理電路研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2008,21(8):1427-1431.

[5]Xu Qing.DLC charging performance for micro grid applications[J].Journal of Southeast University(English Edition),2010,26(3):415-420.

[6]張偉民,郭超,姚雷波.超級電容充放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].化工自動化及儀表,2010,37(9):53-56.

[7]Pierre Mars.超級電容與小型能量采集源的結(jié)合[J].技術(shù)縱橫,2012(9):43-47.

[8]李偉江.低溫差下半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊性能分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

[9]許艷艷,王東生,韓東,等.基于余熱回收的半導(dǎo)體溫差發(fā)電模型及數(shù)值模擬[J].節(jié)能技術(shù),2010(160):168-172.

[10]鄧亞東,范韜,等.汽車尾氣溫差發(fā)電裝置及熱電模塊的布置研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(2):57-61.

EnergyAcquisitionCircuitBasedonChargePumpS_882Z

LIU Fang XU Gang YUE Weijia

(Army Officer Academy, Hefei 230031)

The power supply is very important in the whole wireless sensor network system.In order to meet the system for micro sensor nodes power requirements, this paper designs the realization of ultra low pressure pump start charging, the double capacitor energy storage, the two PSA weak energy acquisition circuit.The circuit can provide energy storage circuit of energy accumulation in the conditions of low temperature difference, realize energy acquisition of weak temperature, and prepare fastly for power supply according to the characteristics of wireless sensor nodes intermittent work.

thermoelectric power generation, wireless sensor, super capacitor, weak energy

2014年2月23日,

:2014年3月30日

劉芳,女,碩士研究生,講師,研究方向:自動化檢測技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。許剛,男,碩士研究生,講師,研究方向:裝備測試及軍事計(jì)量技術(shù)。岳偉甲,男,碩士研究生,講師,研究方向:數(shù)字信號處理。

TP211DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.08.048