微型溫差電池的無線傳感器節(jié)點自供電系統(tǒng)設計

　　在全球面臨能源緊缺、氣候變暖等嚴重問題的情況下，人類為了生存和發(fā)展轉而去尋找和利用清潔能源技術。清潔能源包括太陽能、風能、熱能、振動能、海洋能，以及其他能量如人體動能、生化能等能量。隨著科技的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡技術已經(jīng)滲透到人類生產(chǎn)和生活的方方面面。無線通信網(wǎng)已經(jīng)逐步發(fā)展到能為任何人和物件之間隨時、隨地通信的物聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡的規(guī)模極速擴大，但與此同時物聯(lián)網(wǎng)的總體的穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展問題也越來越突出。與此同時，為了滿足人類生活的需要，越來越多的傳感器需要被安放在人跡罕至或者環(huán)境惡劣的地區(qū)，這些地區(qū)惡劣的環(huán)境決定了人們無法使用化學電池為無線傳感器節(jié)點供電，因為在這些地區(qū)更換化學電池往往是一件不太可能的事情。正因為這些原因，本文才想到采用可再生能源(動態(tài)能源)為無線通信節(jié)點供能來解決這些問題。

　　本文提出了一套微型溫差發(fā)電器供給無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以微型溫差發(fā)電器作為能量源，以德州儀器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作為DC-DC升壓變換器實現(xiàn)了可以從低至80mV的能量源采集能量，并利用外圍電路實現(xiàn)對能量源的最大功率點跟蹤控制，并結合能量緩沖器在必要時存儲能量，然后通過MIC841N雙電壓比較器和TPS78001超低壓差線性穩(wěn)壓器，實現(xiàn)了微型溫差能量的有效采集和利用。該系統(tǒng)通過高效的能量收集和有效的能量管理實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡的功能，成為了真正的能量自供給無線傳感器系統(tǒng)，同時也順應了現(xiàn)在我國通信行業(yè)綠色無線電的發(fā)展要求。

　　1.基于微型溫差發(fā)電器的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點架構模型

　　為了滿足微型溫差發(fā)電器供給的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的要求，本文設計了如下的無線傳感器節(jié)點發(fā)射端的系統(tǒng)架構，如下圖1所示。

　　圖1微型溫差發(fā)電器無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)射端架構

　　由圖1可知，微型溫差發(fā)電器供電的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的發(fā)射端結構由溫差電能收集器、具有MPPT功能的升壓電路、能量緩沖器和系統(tǒng)負載(無線傳感器節(jié)點)組成。溫差電能收集器是由熱電轉換芯片組成的，可以根據(jù)實際的應用場所的大小和所需電能的多少決定熱電轉換芯片表面積大小和疊加的層數(shù)，用以滿足不同的應用環(huán)境。

　　電源管理集成電路主要是由最大功率點跟蹤模塊(MPPT)、電能輸出接口、充電器(DC-DC升壓模塊)、能量緩沖器構成。其中能量緩沖器電路由儲能電容、比較器電路和穩(wěn)壓器電路構成。負載主要包括處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并通過無線發(fā)射模塊發(fā)射出去。

　　由圖1可知，在微型溫差發(fā)電器供電的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點中，電源能量管理電路(Power Management Integrated Circuit， PMIC)是極其重要的一環(huán)，它所包含的電路功能多而重要，是微型溫差發(fā)電器能量采集系統(tǒng)的關鍵所在。

　　2.電源能量管理控制電路(PMIC)設計方案

　　2.1電源能量管理控制電路(PMIC)整體設計方案

　　在本文中電源管理控制電路主要包含了如下功能，最大功率點跟蹤、DC-DC升壓轉換和能量緩沖。

　　如圖2所示，基于微型溫差發(fā)電器的能量自供給無線傳感器系統(tǒng)的能量采集和管電路主要是由芯片BQ25504、MIC841N、TPS78001和儲能電容器以及它們相應的外圍電路構成。超低電壓升壓轉換和管理芯片BQ25504，低功耗多功能電壓比較器MIC841N和線性穩(wěn)壓輸出芯片TPS78001一起構成了微型溫差發(fā)電器供給的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的溫差能量采集和管理使用的多重功能。

　　圖2系統(tǒng)溫差能量采集和應用電路原理圖