一種毫微功耗的微弱能量收集電路設計

韓曉婧 張子佑 劉鋒

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及傳感器的廣泛使用，以電池為主的無線傳感器供電方式因電池的固有缺陷而備受關注。將環(huán)境中的微弱能量轉化為電能可以實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自供電。文中設計了一種毫微功耗的微弱能量收集電路，實驗結果表明，通過收集環(huán)境中的微弱能量能夠取代電池或者利用收集的能量給電池充電，從而延長電池的壽命，以解決無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的供電問題。

關鍵詞：低功耗；無線傳感器；能量收集電路；自供電

中圖分類號：TN712.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-0090-04

0 引 言

環(huán)境中的微弱能量非常微小，但隨著電子技術和制造業(yè)的發(fā)展，傳感器正常工作的功耗也越來越低，收集環(huán)境中的微弱能量完全能夠滿足傳感器正常工作的需求。通過對微弱能量的收集來取代電池或者將收集的電能為電池供電是解決傳感器供電問題的一種有效途徑。在過去的幾年間，物聯(lián)網(wǎng)技術得到了高速發(fā)展，而電源技術的進步卻小得多，電池在能量的存儲密度上沒有太大提高[1]。傳統(tǒng)的無線傳感器依靠電池供電來工作并以無線方式發(fā)送其測試數(shù)據(jù)[2]。這種供電方式的優(yōu)點在于比較可靠，但缺點是傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的使用時間長短取決于供電電池的壽命[3]。因此，研究者希望能夠實現(xiàn)傳感器的自供電，利用環(huán)境中的微弱能量取代電池或延長電池的壽命[4，5]。環(huán)境中微弱能量的收集由于具有收集方便、來源廣泛等優(yōu)點，得到了研究者的極大關注，成為國際上的研究熱點之一[6，7]。

本文設計了一種毫微功耗的微弱能量收集電路，利用LTC3588-1、LT3464、TLV61225三種芯片作為核心電壓變換電路；LTC4071芯片為核心的充電控制電路；TPL5100芯片為核心輸出控制電路設計微弱能量收集電路，將收集到的電能存儲到儲能裝置或者直接給負載供電。將能量收集器接入電路，驗證微弱能量收集電路將收集的電能儲存在鋰電池中的可行性以及電路自身的低功耗。以MSP430F149和nRF24L01為負載，通過實驗證明所設計的電路可以將收集到的微弱能量為傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供能。

1 各種微弱能量的收集

微弱能量收集作為一種減少或消除對電池依賴的方法已經(jīng)獲得了人們極大的關注。一些通過收集來自人或者環(huán)境中微能量的收集技術已經(jīng)可以使用[8，9]。目前，能量收集器可以把環(huán)境中的振動、電磁、溫差能、摩擦等能量轉換為電能[10-14]。人們通過把獲得的這些能量儲存在儲能裝置中或者經(jīng)變換后提供給負載供電以延長電池的壽命或者實現(xiàn)電路的自供能。

現(xiàn)在人們已經(jīng)實現(xiàn)了對環(huán)境中一些微弱能量的收集和利用，與傳統(tǒng)發(fā)電機的發(fā)電方式不同，微弱能量收集是將環(huán)境中的微小能量轉換成可以供低功耗器件使用的電能，從而達到高效利用能量的目的。環(huán)境中可收集的微弱能量主要有以下幾種[15]：

（1）光能：從光源的光照中得到能量，典型的就是太陽光光照。

（2）溫差能：將環(huán)境中的溫差轉換為能量。

（3）振動能：從物體的振動中獲得能量。

（4）摩擦能：通過不同物體之間相互摩擦產(chǎn)生能量。

以上每種微弱能量轉化成電能的原理都不相同，產(chǎn)生的電能也有各自的特點。摩擦能轉換效率高[16]，但必須通過兩種特定材料的接觸摩擦才能產(chǎn)生電能，而溫差能的轉換需要在熱電材料兩端產(chǎn)生足夠大的溫度差才可以將溫差能轉換為電能，適用于有溫差產(chǎn)生的環(huán)境中。振動能的轉換需要壓電材料在環(huán)境中受力發(fā)生形變才能產(chǎn)生電能。表1所列為各種形式的微弱能量被轉換為電能后的特性。

2 毫微功率的微弱能量收集電路

雖然目前摩擦納米發(fā)電的功率密度最大，但這種發(fā)電機制作困難、成本高。而且在實際中難以找到滿足發(fā)電要求的兩種納米材料，與此同時，對摩擦能量的收集和存儲也存在諸多困難。相比較，其它微弱能量的收集更容易實現(xiàn)，且能量收集器的成本低，環(huán)境中的來源也比較豐富，因此本文設計了針對振動能、太陽能、溫差能的微弱能量收集。

2.1 振動能量收集電路

本文采用以LTC3588-1芯片為核心的電路來收集振動能量收集器產(chǎn)生的電能。LTC3588-1是凌力爾特公司設計的一款電源管理芯片，可優(yōu)化對低壓電源的管理。LTC3588-1的內(nèi)部電路可以分為輸入端整流模塊、限壓模塊、濾波模塊、 DC-DC穩(wěn)壓模塊四部分。它具有如下特點：

（1）無負載時的靜態(tài)電流為950 nA；

（2）在欠壓閉鎖模式下的靜態(tài)電流可以降低至450 nA；

（3）在2.7～20 V的輸入電壓范圍內(nèi)工作；

（4）為了減小整流電路的損耗，在內(nèi)部集成了高效率的全波橋式整流器；

（5）輸出電壓可調(diào)，可選1.8 V、2.5 V、3.3 V、3.6 V輸出電壓。

以LTC3588-1芯片為核心的振動能量收集電路的原理圖如圖1所示。

2.2 太陽能能量收集電路

雖然照射到地面的太陽能總量很大，但太陽能的能量密度很低，且部分地方光照時間很短。為了克服太陽能收集中的問題，本文設計了太陽能收集電路，將轉換后的電能不直接給負載供電，而是結合振動能量收集電路，將收集的電能經(jīng)DC-DC變換后存儲在C1儲能電容中，讓太陽能能量收集電路增加電能的來源，保證整個供電系統(tǒng)的電能來源充足。

本文設計的太陽能能量收集電路以LT3464升壓轉換器為核心，LT3464是凌力爾特公司設計的一款低功耗的升壓轉換器，其主要有如下特點：

2.3 溫差能量收集電路

相比于其它形式的能量，溫差能更加微弱，因此在設計能量收集電路時電路的輸入電壓范圍要大，輸入的最低門限電壓要低，這樣才能保證在溫差發(fā)電片的輸出電壓較低時，溫差能收集電路還能正常工作，保證對負載的持續(xù)供能。針對溫差能量收集對電路的要求，本文采用TLV61225升壓轉換器來設計溫差能的收集電路。TLV61225是TI公司設計的一款極低功耗的升壓轉換器。其主要有如下特點：

2.4 能量存儲電路

完整的能量收集電路必然會有電能存儲電路，在收集電能來源充足時，將多余的電能存儲在電池中；當收集的電能來源不足時，電池中存儲的電能又可以給整個電路反向供電，保證給負載持續(xù)供能。本文設計的能量存儲電路以LTC4071芯片為核心，該芯片是一款非常出色的充電管理芯片，可以在電流非常低的情況下為鋰電池持續(xù)充電，還可以在電池電量過低時停止電池向外供電，防止電池因深度放電而造成損壞。同時具有極低的功耗，其工作電流最低可達550 nA。憑借其低功耗的優(yōu)勢，LTC4071適用于在微弱能量收集中實現(xiàn)對鋰電池或薄膜電池的充電。能量存儲電路的原理圖如圖4所示。

2.5 輸出控制電路

輸出控制電路是對電路的輸出進行必要的控制，在實際應用中，不需要負載時刻工作，大多數(shù)情況下負載的間斷工作就能滿足要求。負載間斷工作不僅可以節(jié)約電能，還能夠延長電池的壽命。因此本文采用TPL5000定時器來控制電路的間斷輸出。TPL5000是德州儀器推出的能降低系統(tǒng)待機功耗的可編程系統(tǒng)定時器，其正常工作的電流消耗僅為30 nA。

TPL5000可編程定時器通過D0、D1、D3引腳來選擇定時器的延遲時間，可選定時延遲范圍為1～64秒。當PDOOG引腳為高電平時，定時器開始計時，定時時間到后，TCAL引腳輸出持續(xù)時間為20 ms左右的高電平，高電平的值約等于VCC的值。因此它能為測量數(shù)據(jù)變動緩慢的無線傳感器節(jié)點間斷供電，可進一步延長傳感器等眾多應用的電池使用壽命。TPL5000定時器原理圖如圖5所示。

3 實驗測試與結果

圖6所示為微弱能量收集的實驗測試電路圖。通過同時收集環(huán)境中的三種微弱能量來對電路進行測試。在測試中，當能量收集器同時收集能量時，在沒有負載的情況下，收集到的能量被存儲在電池中，圖7所示為電池兩端電壓隨著能量收集時間的變化圖。通過大約41分鐘，鋰電池兩端的電壓從1.12 V增加到了4.96V。

在實驗測試中，本文使用MSP430F149單片機和NRF24L01傳感器作為一個節(jié)點，通過NRF24L01無線傳感器將MCU里的輸出發(fā)射出去，由另外一個NRF24L01無線傳感器來接收它所發(fā)射的數(shù)據(jù)，以此來驗證能否通過收集到的能量供電讓傳感器網(wǎng)絡節(jié)點正常工作。

圖8所示為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的實際測試電路圖。通過能量收集電路將能量收集器產(chǎn)生的電壓進行變換，輸出穩(wěn)定直流電給負載供電。輸出控制電路選擇每間隔2 s斷續(xù)供電。即每隔2 s負載端產(chǎn)生一個持續(xù)20 ms的高電平給傳感器節(jié)點供電，觸發(fā)MSP430F149，讓它從低功耗狀態(tài)被喚醒變?yōu)檎５墓ぷ髂Ｊ?，無線傳感器NRF24L01也從待機狀態(tài)進入發(fā)射狀態(tài)，然后把數(shù)據(jù)通過NRF24L01發(fā)送出去，另外一端用相同的傳感器去接收所發(fā)送的數(shù)據(jù)。整個發(fā)射過程持續(xù)2 ms，無線發(fā)射傳感器發(fā)射的距離可以達到15 m以上。

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點最重要就是低功耗，如果電能消耗過大，那么整個能量收集電路都是不合理的，也就失去了實用價值。本文設計的電路均采用低功耗電子器件，將電路消耗降到最低，每間隔2 s進行一次數(shù)據(jù)發(fā)送，進一步減少了傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的功耗，整個節(jié)點平均消耗功率為100 μW左右。如果在實際應用中選擇的時間間隔較長，那么節(jié)點所消耗的功率將更小。

4 結 語

本文設計的微弱能量收集電路能夠同時實現(xiàn)對振動能量、太陽能、溫差能的收集，擴大能量來源的范圍，并且可以將收集到的多余的能量存儲在鋰電池中，延長電池的壽命。實現(xiàn)微瓦級別的微弱能量收集將其收集的能量給功率在10 mW左右的低功耗電子器件供電。 測試結果顯示， 跟其它已有的環(huán)境中微弱能量收集電路相比，本文設計的微弱能量收集電路具有更低的功耗，提高了帶負載能力，實現(xiàn)了微弱電能的收集，驗證了給低功耗器件供能的可行性。由于微弱能量的收集具有節(jié)能、環(huán)保、易于實現(xiàn)等特點，因此其作為新型能源具有良好的應用前景。

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