面向無線傳感器的堅固型能量收集系統(tǒng)

面向無線傳感器的堅固型能量收集系統(tǒng)

在人們難以接近的地方、或者那些需要使用大量傳感器的應用中，無線傳感器均憑借其與眾不同的特性而成為合適之選。例如：肉類裝運過程中負責監(jiān)視其溫度的傳感器將必需采用一種防損害的方式來進行安裝。又如：安裝于每種已調(diào)節(jié)空氣源上的HVAC傳感器將由于過于分散而可能使用電池。在這些應用中，能量收集技術能夠在不采用主要電池的情況下解決供電問題。單靠能量收集常常無法產(chǎn)生連續(xù)運行傳感器-發(fā)送器所需的足夠功率——能量收集可產(chǎn)生約1mW~10mW的功率，而有源傳感器-發(fā)送器組合的功率需求則有可能達到100mW~250mW。在可能的情況下必須將收集的能量存儲起來以隨時供傳感器/發(fā)送器使用，而傳感器/發(fā)送器的工作占空比一定不得超過系統(tǒng)的能量存儲能力。同樣，傳感器/發(fā)送器有可能需要在未收集到能量的時候運作。最后，倘若存儲的能量耗盡而系統(tǒng)即將停機，則系統(tǒng)或許必需首先執(zhí)行內(nèi)務處理工作。這可能包括一條停機消息、或者將信息存儲于非易失性存儲器中。因此，應當連續(xù)不斷地測量可用的能量，這一點很重要。完整的能量收集系統(tǒng)圖1示出了一款完整的系統(tǒng)實現(xiàn)方案，此方案采用了一個LTC3588-1能量收集器和降壓型穩(wěn)壓器IC、兩個LTC4071并聯(lián)電池充電器、兩個GMBATTERYGMB3010098mAh電池以及一個仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器（被模擬為一個具1%占空比的12.4mA負載）。LTC3588-1包含一個具非常低泄漏的橋式整流器，其輸入位于PZ1和PZ2，而輸出則位于VIN和GND。VIN同時還是具有非常低靜態(tài)電流的降壓型穩(wěn)壓器的輸入電源。降壓型穩(wěn)壓器的輸出電壓由D1和D0設定為3.3V。圖1：基于壓電元件的完整能量收集系統(tǒng)不受電網(wǎng)的限制該設計采用薄膜電池來積聚壓電元件所收集的能量，并提供給一個以1%占空比運作的無線傳感器發(fā)送器。LTC3588由一個AdvancedCerametricsIncorporatedPFCB-W14壓電式傳感器來驅(qū)動，它能夠產(chǎn)生12mW的最大功率。在我們的實現(xiàn)方案中，PFCB-W14提供了大約2mW的功率。LTC4071是一款具可編程浮置電壓和溫度補償功能的并聯(lián)電池充電器。浮置電壓設定為4.1V，其容差為±1%，因而產(chǎn)生了一個4.14V的最大值——安全地低于電池容許的最大浮置電壓。另外，LTC4071還能通過NTC信號檢測電池的溫度，并在電池溫度很高的情況下降低浮置電壓以最大限度地延長電池的工作壽命。LTC4071能夠在內(nèi)部提供50mA的并聯(lián)電流。然而，當電池低于浮置電壓時，LTC4071將僅從電池吸收約600nA的電流。GMBATTERYGMB301009電池具有8mAh的容量和10Ω左右的內(nèi)部串聯(lián)電阻。仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器的建模采用了MicrochipPIC18LF14K22和MRF24J40MA2.4GHzIEEE802.15.4射頻收發(fā)器模塊。該射頻芯片在發(fā)送和接收模式中的吸收電流分別為23mA和18mA。此模型將之表示為一個12.4mA、0.98%占空比（2ms/204ms）負載，并利用一個自計時數(shù)字定時器和一個負責267Ω電阻器開關切換的MOSFET來設定。操作模式該系統(tǒng)具有兩種操作模式：充電-發(fā)送和放電-發(fā)送。在充電-發(fā)送模式中，電池被充電而傳感器-發(fā)送器提供一個0.5%占空比負載。在放電時，傳感器-發(fā)送器處于運作狀態(tài)，但此時并沒有從PFCB-W14收集能量。充電-發(fā)送（Charging-Sending）當處于運行狀態(tài)時，PFCB-W14輸送的平均功率約為9.2V×180?A≈1.7mW?？捎玫碾娏鞅仨殞﹄姵剡M行充電并負責運作用于驅(qū)動仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器的降壓型穩(wěn)壓器。運行中的傳感器-發(fā)送器在大約1%的時間里吸取12.4mA×3.3V≈41mW的功率（即0.41mW左右的平均功率），因而留出了一些電流用于給電池充電。考慮到LTC3588降壓型穩(wěn)壓器的效率為85%，當平均VIN為9.2V（見圖2）、降壓型穩(wěn)壓器靜態(tài)電流為8μA時，在未對電池充電情況下系統(tǒng)所消耗的平均電流為：圖2：具傳感器-發(fā)送器負載時的充電收集的能量能夠以0.5%的占空比驅(qū)動傳感器-發(fā)送器，而留出約120μA的電流供電池充電之用。GMB301009電池的容量為8mAh，因此它們可在75小時左右的時間里充滿電。放電-發(fā)送（Discharging-Sending）降壓型穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流較高，這是因為它必須更加頻繁地開關以從7.5V與9.2V進行調(diào)節(jié)。在78?A靜態(tài)電流條件下，如果沒有收集能量，則電池的放電時間大約為115小時。這表明電池的電荷存儲容量>8.95mAh。這些電池在全新時所存儲的電荷可比額定值高出12%。一個更為嚴重的問題是：當電池完全放電時會發(fā)生什么？假如在電池的充電狀態(tài)（State2.7V或3.2V，以保證在斷接電路投入使用之后電池中可保留一些能量。僅僅停止發(fā)送器的運作或?qū)⒇撦d斷接將無法起到保護電池的作用，因為LTC4071吸收約600nA的靜態(tài)電流。雖然這一靜態(tài)電流非常之低，但包括LTC3588-1在內(nèi)的總負載則接近2?A。一個完全放電的電池在其電壓下降至足以損壞電池之前將只能提供約100uA的電流。需要一個斷接電路，以確保電池在一段合理的時間里不至于發(fā)生放電。LTC4071提供了一個內(nèi)部低電池電量斷接電路。經(jīng)測量，在室溫條件下，該斷接電路在啟動時將產(chǎn)生<2nA的電池負載。這一漏電流通常受PCB漏電流的支配。當電池漏電流僅為2nA時，在其受損之前，電池可在斷接狀態(tài)中工作50,000小時。在圖3中可見，由于2?A負載的原因，BAT2在BAT1之后斷接50小時。圖3：采用電池欠壓斷接時的放電情況測量結(jié)果圖1所示的系統(tǒng)在“放電-發(fā)送”（圖3）和“充電-發(fā)送”（圖4）這兩種操作模式中均進行了測量。圖4：電池斷接恢復充電放電-發(fā)送在圖3中，我們給出了當由電池來提供所有系統(tǒng)能量時（PFCB-W14壓電式傳感器未提供任何能量）兩個電池BAT1、BAT2的電壓以及VBUCK隨時間變化的情況。電池緩慢放電直到BAT2觸發(fā)LTC4071的LBO門限為止，隨后斷接電路啟動并使BAT2與所有的電路（U5除外）斷接。這將導致LTC3588的VIN引腳電壓降至穩(wěn)壓器的UVLO以下，而穩(wěn)壓器將關斷。BAT1上的負載是LTC4071和LTC3588的2?A靜態(tài)電流。這個小負載使BAT1緩慢地放電，直到LTC4071的低電池電量斷接功能電路啟動為止，BAT1隨即被斷接。充電-發(fā)送當PFCB-W14再次開始向系統(tǒng)輸送功率時，VIN將上升至7V，從而給LTC4071中斷接FET的體二極管施加正向偏置。這將對電池充電，直至達到重接門限為止，進而允許重新連接電池BAT1和BAT2。觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，這將表現(xiàn)為VIN上的電壓迅速下降至電池組電壓。由于VIN上的電壓現(xiàn)為VBAT1+VBAT2+（180?Ax15k）=6.2V，因此LTC3588上的降壓型穩(wěn)壓器將重新起動，并可再次提供3.3V電壓。結(jié)論只需借助少量易于使用的組件，即可構(gòu)建一種適合無線傳感器-發(fā)送器的完整和緊湊型能量收集電源子系統(tǒng)。在此特殊的系統(tǒng)中，由一個壓電式傳感器提供間歇式電源，而兩個電池則負責存儲能量以供傳感器-發(fā)