微型溫差電池的無線傳感器節(jié)點自供電系統設計

　　2.2.1最大功率點跟蹤(MPPT)功能電路設計

　　最大功率點跟蹤(MPPT)是一種最大化利用發(fā)電器所產生電能的技術。本文通過一定的電氣模塊調節(jié)微型溫差發(fā)電器的溫差芯片的輸出電壓，從而實現溫差發(fā)電器輸出功率的最大化。根據已知的微型溫差發(fā)電器的輸出特性曲線，當輸出的電壓大約等于開路電壓的50%時可以得到最大的輸出功率。從TEG提取最大功率的技術主要是動態(tài)改變DC/DC轉換器開關頻率，本文根據這一特性利用BQ25504采用了電阻比例分壓法實現了輸出電壓為開路電壓的一半，進而實現了輸出功率的最大化。

　　如圖3所示，為了實現MPPT功能，在引腳2(VIN_DC)和引腳3(VOC_SAMP)分別接電阻OC2和電阻OC1.引腳2通過OC2接引腳3，引腳3通過OC1接地，具體如電路原理圖所示。

　　然后按照以下的方式確定ROC1和ROC2的阻值：

　　VIN_DC是電壓輸出端，通過ROC1和ROC2的分壓作用，使得VOC_SAMP處的電壓為：

　　又因為TEG輸出的電壓大約等于開路電壓的50%時可以得到最大的輸出功率，因此ROC1/(ROC1+ROC2)的值應為1/2，因此ROC1= ROC2，在電路設計實際中，本文選擇了10MΩ作為其阻值，因此ROC1 =ROC2 =10MΩ。

　　BQ25504芯片每16s采樣一次VOC_SAMP的電壓值，可以保證在溫差發(fā)電器的輸出功率發(fā)生變化的情況下，在較短的時間內可以準確跟蹤到微型溫差發(fā)電器輸出功率的最大點，實現最有效的電能采集。

　　2.2.2 DC-DC超低電壓升壓功能電路設計

　　BQ25504的另一個最重要的功能就是可以實現在穩(wěn)定工作時從低至80mV的電壓持續(xù)汲取能量，這對于微型溫差發(fā)電器十分重要。BQ25504的充電電路是集成在芯片內部的DC-DC升壓模塊構成。內部升壓模塊是通過脈沖頻率調制將輸入電壓調節(jié)到芯片的能量存儲設備需要的電壓。為了實現保護電能存儲(儲能電容器)設備的長壽命高效率工作，本文結合BQ25504為充電電路設定了欠壓閾值(UV)，充電完成閾值(VBAT_OK)，過壓閾值(OV)，欠壓和過壓閾值的設定分別用于避免儲能電容器儲能設備過度放電和過度充電，盡可能延長儲能電容器的工作使用壽命。VBAT_OK的設定用于控制充放電過程，進而控制整個電路的工作流程。

　　在本文中，結合充電電路的實際情況，本文設定，VBAT_OV=3.5V，VBAT_UV=2.8V，VBAT_OK=3V，VBAT_OK_HYST=3.2V.

　　然后依照以下的公式確定外圍電阻的阻值：

　　在電路中，VBIAS是芯片BQ25504的內部參考電壓，其值為1.240V，并且在電路設計中本文約定RUV1+RUV2=10MΩ，ROV1+ROV2=10MΩ，ROK1+ROK2+ROK3=10MΩ;結合方程(2)，(3)，(4)，(5)，本文得到：

　　RUV1=4.43M;RUV2=5.57M;

　　ROV1=5.31M;ROV2=4.69M;

　　ROK1=3.875M;ROK2=5.5M;ROK3=625K;

　　2.2.3 DC-DC超低電壓升壓功能電路設計

　　本文設計的能量緩沖器電路是在BQ25504芯片的輸出位置通過一個二極管D1接入一個儲能電容器。通過儲能電容器的應用，本文可以實現在溫差能充足時，DC-DC轉換過后的能量不僅能夠供給無線傳感器節(jié)點使用，而且多余的能量可以存儲在儲能電容器中，實現能量的最大節(jié)約;溫差發(fā)電器采集到的電量不足的時候儲能電容器可以暫時充當能量源的角色，保證后面的無線傳感器節(jié)點有效的工作，并且由于二極管D1的存在避免了儲能電容器反向給溫差發(fā)電器充電的情況。