基于單端正激變換的遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電技術(shù)

梁 妍， 馬愛霞， 郭騰達(dá)

(1. 鄭州工商學(xué)院工學(xué)院，河南 鄭州 451400; 2. 光力科技股份有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引 言

在遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，常因遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點的電源均為有限的，導(dǎo)致遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在能量使用方面存在明顯約束條件。遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源所使用的能源通常來自于電池或太陽能，無法滿足遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長時間的工作需求，因此需要研究一種有效的電源自供電技術(shù)。國外有學(xué)者研究了壓電能量采集技術(shù)等供電方法，文獻(xiàn)[1]中從壓電材料、采集結(jié)構(gòu)等方面做出了一些研究成果，提出了一個垂直交錯矩形通孔懸臂模型，從多個方向的振動收集能量，但普遍存在轉(zhuǎn)換效率低、輸出功率小等問題。目前相關(guān)領(lǐng)域有學(xué)者對自供電技術(shù)做出一定的研究成果。徐強(qiáng)菊[2]等提出在物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過收集環(huán)境中的低頻機(jī)械振動能量，利用壓電陶瓷換能器產(chǎn)生交流電壓，經(jīng)過四倍壓電路放大后，通過電源管理電路整流變換，提供了一個供低功耗傳感器工作的標(biāo)準(zhǔn)電壓。該方法能有效地實現(xiàn)低功耗傳感器的供電，但該方法僅考慮了微弱能量收集電路，實際應(yīng)用中存在一定的局限性。岳釩[3]等提出設(shè)計一個自供電型溫度傳感器系統(tǒng)，設(shè)計能量收集、能量存儲和傳感器節(jié)點等模塊，利用溫差進(jìn)行能量收集，利用單片機(jī)控制能量轉(zhuǎn)化為電功率，實現(xiàn)了系統(tǒng)自供電。該方法較為節(jié)能，僅利用溫差即可實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行，但溫差需要大于30 ℃，這對環(huán)境的要求較高，難以實際應(yīng)用。

但遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電過程中，太陽能或電池輸出電壓并不穩(wěn)定[4]，針對這一問題，研究基于單端正激變換的遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電技術(shù)，通過控制功率變壓器和鉗位電容容量，改進(jìn)單端正激變換器，以提升電源功能轉(zhuǎn)換效率。在對能量穩(wěn)壓處理后，利用單片機(jī)檢測各供電端電壓，選擇合適的供電端進(jìn)行供電，確保輸出功率的穩(wěn)定，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源穩(wěn)定自供電。

1 遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電技術(shù)

1.1 單端正激變換器設(shè)計

利用單端正激變換器可轉(zhuǎn)換太陽能電池板輸出的直流電壓，同時單端正激變換器還能發(fā)揮隔離作用，在某些情況下還可發(fā)揮變壓作用[5-6]。利用單端正激變換器可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)電源變換的功能，不僅實現(xiàn)太陽能電池在不同輸入電壓條件下均有效輸出12 V直流電壓的目的，同時還可隔離輸入交流電源波動[7]，降低太陽能電池輸入波動對遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電結(jié)構(gòu)的影響。

1.1.1 單端正激變換器電路結(jié)構(gòu)

具有穩(wěn)壓功能的單端正激變換器采用單端正激變換原理設(shè)計，單端正激變換是根據(jù)Buck變換拓展產(chǎn)生的直流—直流變換電路[8]，也就是將隔離變壓器添加入Buck變換內(nèi)，構(gòu)建單端正激變換器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于單端正激變換的穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)

在開關(guān)管T閉合的條件下，變壓器副邊形成電流，反并聯(lián)二極管 D1和 D2分別處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，電感電壓為正，變壓器副邊電流線性提升[9]。用DC和TS分別表示開關(guān)管導(dǎo)通時間占空比和開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷周期，在DC×TS期間內(nèi)，可利用下式計算電感電壓uL：

式中：Z1和Z2——初級匝數(shù)和次級匝數(shù)；

US和U0——輸入電壓和輸出到負(fù)載 R上的電壓值。

在開關(guān)管 T截止的條件下，變壓器副邊無電流流徑，負(fù)載電流經(jīng)反并聯(lián)二極管 D2續(xù)流，在(1-DC)×TS期間內(nèi)，電感電壓和電流分別處于負(fù)狀態(tài)和線性下降狀態(tài)[10]，公式描述：

穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，一個周期內(nèi)電感電壓積分值為零，由此能夠得到：

通過式（3）能夠得到：

其中J表示輸出電壓與輸入電壓比值。

通過式（4）得到，單端正激變換器電壓增益與開關(guān)導(dǎo)通占空比之間表現(xiàn)為正比例相關(guān)。

1.1.2 功率變壓器設(shè)計

功率變壓器是單端正激變換器的重要組成部分[11]。在設(shè)計單端正激變換器內(nèi)的功率變壓器時，為提升遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源供能的轉(zhuǎn)換效率，在激磁電感固定的條件下降低漏感[12]，在漏感較小的條件下可相應(yīng)降低鉗位電容值，以此優(yōu)化單端正激變換器的電路動態(tài)特性。

1）占空比與初、次級匝數(shù)比確定

單端正激變換器內(nèi)的功率變壓器占空比計算公式如下式所示：

其中VRDS和VL分別表示整流管壓降和濾波電感壓降。

單端正激變換器內(nèi)的功率變壓器占空比可高于0.5，最大占空比可達(dá)到0.7。

以Ee和Ew分別表示功率變壓器內(nèi)磁芯柱截面和窗口面積，由此得到功率變壓器的功率容量乘積Ep，其計算公式為：

在100 ℃條件下，功率變壓器飽和磁通為Bmax，在溫升條件下Bmax值會降低，為避免出現(xiàn)單端正激變換器通電瞬間出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象[13]，以保障單端正激變換器穩(wěn)定運行為目的，設(shè)定Bmax值為380 mT。利用下式表示電磁感應(yīng)定律：

其中ton表示變換器通電時間。通過確定最終匝數(shù)比，根據(jù)匝數(shù)比可確定占空比上限值。

2）功率管反向峰值電壓上限值計算

功率管反向峰值電壓上限值Uds可描述開關(guān)管電壓應(yīng)力計算表達(dá)式如下：

在輸入電壓或輸出電壓值固定的條件下，匝數(shù)比值與Uds值之間為正比例相關(guān)[14]，匝數(shù)比值越低，Uds值越低。

3）初、次級電感確定

初級電感量計算公式如下：

其中，EL表示電感系數(shù)。次級電感量計算公式如下：

由此，通過確定占空比和初、次級匝數(shù)比，計算功率管反向峰值電壓上限值，確定初、次級電感，實現(xiàn)了單端正激變換器的功率變壓器優(yōu)化設(shè)計。

1.1.3 鉗位電容計算參數(shù)確定

確定單端正激變換器的鉗位電容容量。根據(jù)電感系數(shù)EL和 初級電感量Lp確定鉗位電容容量，公式描述如下：

在輸入電壓為最低值的條件下，占空比值達(dá)到上限，在此條件下磁芯復(fù)位時間達(dá)到下限值，此時鉗位電容電壓達(dá)到上限值，公式描述如下：

綜合式（11）和式（12）選用標(biāo)稱值，在實際應(yīng)用過程中需考慮單端正激變換器電路結(jié)構(gòu)布線與焊點雜散電容對鉗位電容容量的影響[15]。

1.1.4 PWM頻率控制電路設(shè)計

利用脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）芯片調(diào)制一系列脈沖寬度，等效獲得電源供電所需波形。單端正激變換器內(nèi)的PWM芯片選取SG3525，如圖2所示。

圖2 SG3525控制電路

利用SG3525芯片的電容和電阻可以改變輸出控制信號的頻率，利用電壓可以改變輸出脈寬，基于上述優(yōu)勢，節(jié)點C-DAC通過DAC的2通道隔離控制SG3525的時鐘啟動電壓，實現(xiàn)PWM調(diào)頻功能。至此，完成對單端正激變換器的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計。

1.2 遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電實現(xiàn)

遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電實現(xiàn)過程如圖3所示，主要通過太陽能電池板、單端正激變換器、超級電容、單片機(jī)控制器與可充電鋰電池等部件實現(xiàn)。為最大限度上發(fā)揮太陽能電池板的效益，采用3塊不同朝向的太陽能電池板。

圖3 遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電實現(xiàn)過程如下：自供電過程中，需以遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所處區(qū)域可有效獲取太陽光為基礎(chǔ)，在太陽光可有效照射的條件下，遠(yuǎn)距離無線傳感器可通過太陽能電池板接收太陽能能源，太陽能能源通過單端正激變換器進(jìn)行穩(wěn)壓處理后，一部分進(jìn)入超級電容內(nèi)，剩余部分進(jìn)入可充電鋰電池內(nèi)，分別對超級電容與可充電鋰電池充電。單片機(jī)控制器的主要功能是檢測整個遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電結(jié)構(gòu)內(nèi)不同供電端的電壓情況，當(dāng)太陽能電池板輸入電壓大于超級電容和可充電鋰電池端的電壓時，單片機(jī)控制器開始控制通過單端正激變換器進(jìn)行穩(wěn)壓處理，并對超級電容和鋰電池進(jìn)行充電，以此顯著延緩鋰電池充放電過程，提升遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電結(jié)構(gòu)的耐用性。

2 實驗分析

實驗為驗證本文研究的基于單端正激變換的遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電技術(shù)在實際遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電中的應(yīng)用效果，選取某大學(xué)實驗室內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象，該研究對象采用遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對實驗室內(nèi)部溫度、濕度等環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測。將本文技術(shù)應(yīng)用于研究對象電源自供電應(yīng)用中，設(shè)定本文技術(shù)自供電應(yīng)用過程中的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 本文技術(shù)相關(guān)參數(shù)

2.1 充放電控制測試

為驗證本文技術(shù)供電控制的有效性，獲取本文技術(shù)充放電過程曲線，如圖4所示。

圖4 充放電過程曲線

由于本文技術(shù)中太陽能電池是主要能源供應(yīng)器，本文技術(shù)控制太陽能電池對能量存儲器進(jìn)行供電，在能量存儲器的電壓上升至預(yù)先設(shè)定的閾值時，即切換能量存儲。分析圖4得到，本文技術(shù)可實現(xiàn)科學(xué)控制充電與供電過程，在150 min時，由于切換能量存儲，出現(xiàn)了小幅度的電壓變化，短時間內(nèi)又恢復(fù)較為平穩(wěn)的電壓輸出。

2.2 單端正激變換器設(shè)計

為驗證本文技術(shù)中單端正激變換器的應(yīng)用情況，選取12 Ω電阻為負(fù)載，變化交流電壓幅值，分別將10 V、50 V和100 V交流電壓作為采樣點，利用單端正激變換器對研究對象電源實現(xiàn)變換，同理利用PWM控制信號控制開關(guān)管通斷，得到輸出電壓波形如圖5所示。

圖5 不同交流電壓輸入條件下單端正激變換器輸出波形

分析圖5得到，輸入電壓同PWM控制信號的占空比之間表現(xiàn)為反比例相關(guān)，即輸入電壓數(shù)值越大，PWM控制信號的占空比越小。當(dāng)輸入交流電壓為100 V的條件下，PWM控制信號占空比達(dá)到最小值，這表明在開關(guān)管導(dǎo)通時間值較小的條件下，單端正激變換器即可輸出12 V平均電壓；在輸入交流電壓為10 V的條件下，PWM控制信號占空比達(dá)到最大值，這表明在開關(guān)管導(dǎo)通時間值較大的條件下，單端正激變換器才可輸出12 V平均電壓。需說明一點，單端正激變換器采用升壓形式才能令輸入電壓較小的條件下依舊輸出12 V電壓。

2.3 不同負(fù)載條件的對比分析

針對研究對象電源自供電電路，其既需要為電源提供所需電壓，還需符合電路功率要求。為檢測本文技術(shù)電源功率輸出的穩(wěn)定性，需在不同負(fù)載條件下進(jìn)行測試。依照測試需求，設(shè)定電源功率與負(fù)載電阻分別為40 W和5 Ω，獲取最大輸出功率下的輸出電壓與電流波形，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同輸入電壓條件下的測試結(jié)果

保持輸入電壓分別為10 V、50 V和100 V，得到結(jié)果如圖6所示。圖6（a）所示為不同輸入電壓下的輸出電壓波動情況，對其進(jìn)行分析得到，5 Ω負(fù)載條件下，單端正激變換器電壓波形波動情況同12 Ω負(fù)載條件下一致。當(dāng)輸入電壓為10 V時，輸出電壓曲線波動性明顯提升，在0.4 s處單端正激變換器輸出電壓波動峰值與輸出電壓均值的比值大致為5.5%。圖6（b）所示為不同輸入電壓下電流波形波動情況，對其進(jìn)行分析得到，在0.4 s處，輸入電壓為10 V、50 V和100 V時，電流輸出較穩(wěn)定，通過電流與電壓的乘積計算單端正激變換器功率分別為40.35 W、41.26 W和41.48 W，輸出功率較為穩(wěn)定。

以上實驗結(jié)論充分說明本文技術(shù)能夠在輸出電壓保持12 V的基礎(chǔ)上，完成40 W功率輸出。在負(fù)載條件一致的狀態(tài)下，輸出功率較為穩(wěn)定，同輸入電壓變換較為微弱。同時利用差異負(fù)載電阻匹配過程調(diào)節(jié)輸出功率，滿足遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電需求。

3 結(jié)束語

本文研究基于單端正激變換的遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電源自供電技術(shù)，設(shè)計單端正激變換器電路結(jié)構(gòu)、變壓器與鉗位電容等，優(yōu)化單端正激變換器，對太陽能能源進(jìn)行穩(wěn)壓處理。實驗測試結(jié)果表明本文技術(shù)在電源自供電方面取得了較好的應(yīng)用效果。隨著遠(yuǎn)距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)擴(kuò)展，本文技術(shù)對于延長傳感器網(wǎng)絡(luò)使用時間，降低傳感器網(wǎng)絡(luò)功率耗損，拓展傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)置范圍等均產(chǎn)生顯著影響，具有顯著推廣價值。