真正擺脫電網(wǎng)束縛:面向無(wú)線傳感器堅(jiān)固型能量收集系統(tǒng)

　　無(wú)線傳感器擁有一個(gè)新興和規(guī)模巨大的潛在市場(chǎng)。在人們難以接近的地方、或者那些需要使用大量傳感器 (由于傳感器數(shù)目過于龐大而難以輕松實(shí)現(xiàn)至數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的硬連接) 的應(yīng)用中，無(wú)線傳感器均憑借其與眾不同的特性而成為合適之選。在大多數(shù)場(chǎng)合中，利用主要電池來(lái)運(yùn)行對(duì)于此類系統(tǒng)而言是不現(xiàn)實(shí)的。例如：肉類裝運(yùn)過程中負(fù)責(zé)監(jiān)視其溫度的傳感器將必需采用一種防損害的方式來(lái)進(jìn)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(yīng)用中，能量收集技術(shù)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(wú)法產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)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(dá)到 100mW~250mW。在可能的情況下必須將收集的能量存儲(chǔ)起來(lái)以隨時(shí)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(chǔ)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(shí)候運(yùn)作。

　　最后，倘若存儲(chǔ)的能量耗盡而系統(tǒng)即將停機(jī)，則系統(tǒng)或許必需首先執(zhí)行內(nèi)務(wù)處理工作。這可能包括一條停機(jī)消息、或者將信息存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器中。因此，應(yīng)當(dāng)連續(xù)不斷地測(cè)量可用的能量，這一點(diǎn)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(shí)現(xiàn)方案，此方案采用了一個(gè) LTC3588-1 能量收集器和降壓型穩(wěn)壓器 IC、兩個(gè) LTC4071 并聯(lián)電池充電器、兩個(gè)GM BATTERY GMB301009 8mAh電池以及一個(gè)仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器 (被模擬為一個(gè)具 1% 占空比的 12.4mA 負(fù)載)。 LTC3588-1 包含一個(gè)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(shí)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(shè)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(shè)計(jì)采用薄膜電池來(lái)積聚壓電元件所收集的能量，并提供給一個(gè)以 1%占空比運(yùn)作的無(wú)線傳感器發(fā)送器。

　　LTC3588 由一個(gè) Advanced Cerametrics Incorporated PFCB-W14 壓電式傳感器來(lái)驅(qū)動(dòng)，它能夠產(chǎn)生 12mW 的最大功率。在我們的實(shí)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(bǔ)償功能的并聯(lián)電池充電器。浮置電壓設(shè)定為 4.1V，其容差為 ±1%，因而產(chǎn)生了一個(gè) 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(hào)檢測(cè)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(zhǎng)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(dāng)電池低于浮置電壓時(shí)，LTC4071 將僅從電池吸收約 600nA 的電流。

　　GM BATTERY GMB301009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 Microchip PIC18LF14K22 和 MRF24J40MA 2.4GHz IEEE 802.15.4 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(gè) 12.4mA、0.98% 占空比 (2ms/204ms) 負(fù)載，并利用一個(gè)自計(jì)時(shí)數(shù)字定時(shí)器和一個(gè)負(fù)責(zé) 267Ω 電阻器開關(guān)切換的 MOSFET 來(lái)設(shè)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(gè) 0.5% 占空比負(fù)載。在放電時(shí)，傳感器-發(fā)送器處于運(yùn)作狀態(tài)，但此時(shí)并沒有從 PFCB-W14 收集能量。

　　充電-發(fā)送 (Charging-Sending)

　　當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，PFCB-W14 輸送的平均功率約為 9.2V × 180µA ≈ 1.7mW。可用的電流必須對(duì)電池進(jìn)行充電并負(fù)責(zé)運(yùn)作用于驅(qū)動(dòng)仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器的降壓型穩(wěn)壓器。運(yùn)行中的傳感器-發(fā)送器在大約 1% 的時(shí)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?？紤]到 LTC3588 降壓型穩(wěn)壓器的效率為 85%，當(dāng)平均 VIN 為 9.2V (見圖 2)、降壓型穩(wěn)壓器靜態(tài)電流為 8μA 時(shí)，在未對(duì)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(fù)載時(shí)的充電

　　收集的能量能夠以 0.5% 的占空比驅(qū)動(dòng)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(shí)左右的時(shí)間里充滿電。

　　放電-發(fā)送 (Discharging-Sending)

　　當(dāng) PFCB-W14 未輸送功率時(shí)，VIN 上的電壓下降至大約：

　　于是，反射負(fù)載電流計(jì)算公式變?yōu)椋?img class="" alt="" width="200" height="47" src="http://editerupload.eepw.com.cn/201112/9ad8cf03463c2fc9f86362ff80944b35.png" />

　　降壓型穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流較高，這是因?yàn)樗仨毟宇l繁地開關(guān)以從 7.5V 與 9.2V 進(jìn)行調(diào)節(jié)。在 78µA 靜態(tài)電流條件下，如果沒有收集能量，則電池的放電時(shí)間大約為 115 小時(shí)。這表明電池的電荷存儲(chǔ)容量 >8.95mAh。這些電池在全新時(shí)所存儲(chǔ)的電荷可比額定值高出 12%。

　　一個(gè)更為嚴(yán)重的問題是：當(dāng)電池完全放電時(shí)會(huì)發(fā)生什么?假如在電池的充電狀態(tài) (State of charge，SOC) 達(dá)到零之后繼續(xù)從電池吸收電流且電池電壓下降至 2.1V 以下，則電池將遭受永久性的損壞。所以，應(yīng)用必須確保電池電壓絕對(duì)不能降至該限值以下。為此，電池截止電壓被設(shè)定為 2.7V 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(yùn)作或?qū)⒇?fù)載斷接將無(wú)法起到保護(hù)電池的作用，因?yàn)?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(fù)載則接近 2µA。一個(gè)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 100µA 的電流。

　　需要一個(gè)斷接電路，以確保電池在一段合理的時(shí)間里不至于發(fā)生放電。LTC4071 提供了一個(gè)內(nèi)部低電池電量斷接電路。經(jīng)測(cè)量，在室溫條件下，該斷接電路在啟動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生 <2nA 的電池負(fù)載。這一漏電流通常受 PCB 漏電流的支配。當(dāng)電池漏電流僅為 2nA 時(shí)，在其受損之前，電池可在斷接狀態(tài)中工作 50,000 小時(shí)。

　　在圖 3 中可見，由于 2µA 負(fù)載的原因，BAT2 在 BAT1 之后斷接 50 小時(shí)。

　　圖 3：采用電池欠壓斷接時(shí)的放電情況

　　測(cè)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(jìn)行了測(cè)量。

　　圖 4：電池?cái)嘟踊謴?fù)充電

　　放電-發(fā)送

　　在圖 3 中，我們給出了當(dāng)由電池來(lái)提供所有系統(tǒng)能量時(shí) (PFCB-W14 壓電式傳感器未提供任何能量) 兩個(gè)電池 BAT1、BAT2 的電壓以及 VBUCK 隨時(shí)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(dòng)并使 BAT2 與所有的電路 (U5 除外) 斷接。這將導(dǎo)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(guān)斷。

　　BAT1上的負(fù)載是 LTC4071 和 LTC3588 的 2µA 靜態(tài)電流。這個(gè)小負(fù)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(dòng)為止，BAT1 隨即被斷接。

　　充電-發(fā)送

　　當(dāng) PFCB-W14 再次開始向系統(tǒng)輸送功率時(shí)，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(duì)電池充電，直至達(dá)到重接門限為止，進(jìn)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 + (180µA x 15k) = 6.2V，因此 LTC3588 上的降壓型穩(wěn)壓器將重新起動(dòng)，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(wú)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(gè)壓電式傳感器提供間歇式電源，而兩個(gè)電池則負(fù)責(zé)存儲(chǔ)能量以供傳感器-發(fā)送器之用。一個(gè)集成型斷接開關(guān)用于保護(hù)電池免遭過度放電的損壞。

　　該系統(tǒng)能夠在 75 小時(shí)內(nèi)完成電池的滿充電，即使以 0.5% 的占空比運(yùn)作傳感器-發(fā)送器的情況下也不例外。

　　在 PFCB-W15 停止供電之后，電池將允許系統(tǒng)以 0.5% 的占空比持續(xù)運(yùn)作傳感器-發(fā)送器達(dá) 115 小時(shí)。如果需要較長(zhǎng)的電池工作時(shí)間，則可降低傳感器-發(fā)送器占空比以滿足這一要求。