基于S_882Z的能源采集電路設計*

(陸軍軍官學院 合肥 230031)

基于S_882Z的能源采集電路設計*

劉芳許剛岳偉甲

(陸軍軍官學院 合肥 230031)

電源在整個無線傳感器網絡系統中具有極其重要的意義,為了滿足系統為微型傳感器節點供電的需求,論文設計了采用充電泵實現超低壓啟動,雙電容蓄能,兩級變壓的微弱能源采集電路。該電路能夠在低溫差條件下為蓄能電路積累能量,實現低溫差環境下的微弱能量采集,并能夠根據無線傳感器節點的間歇性工作的特點,快速做好供電準備。

溫差發電; 無線傳感器; 超級電容; 微弱能源

ClassNumberTP211

1 引言

無線傳感器網絡正在逐漸成為一個非常重要的技術領域,已經有低功率無線傳感器平臺進入市場,而這些平臺的設計大都使用電池。由于普通電池的壽命有限,需要定期更換電池。這樣不僅工作量大,成本高,浪費也嚴重;而且對于大面積的無線傳感器網絡來說,如環境監測時,電池的更換較難。因此,“無源”、“無線”是許多傳感器系統所追求的目標。如何將自然環境中的能量并轉換為電能,實現傳感器的自供電,成為目前的研究熱點之一[1～2]。本文設計了基于充電泵S-882Z的微弱能源采集電路,該電路能在0.3V～0.35V輸入電壓下工作,解決了超低壓啟動問題[3～4];采用雙電容蓄能、與升壓式DC/DC轉換器配合等技術,給微弱電壓的能源創造了一個有效利用的條件,適用于間歇功率輸出的傳感器節點。

2 系統構成

該裝置主要由熱電效應發電片(溫差發電片)、超低工作電壓啟動電路、超級電容蓄能電路、升降壓電路等部分組成,系統整體結構如圖1所示。

圖1 能源采集電路系統結構圖

溫差發電片是由一對PN電偶臂構成,使用時將溫差發電片一面與熱源接觸,另一面與大氣或者散熱片接觸,當電偶臂兩端存在溫差時,PN結兩種不同熱電材料將產生塞貝克效應,從而在回路中產生電流[5～7]。溫差片發電的效率主要取決于熱端和冷端的溫度和溫差發電材料的品質因數Z,Z值還強烈地依賴于溫度,因而對于不同的工作溫度需要選取不同的材料。充電泵模塊將溫差發電片產生的電壓提升并穩定在5V,給超級電容蓄能充電。蓄能模塊由兩個容值不同的超級電容構成,按先充小電容再充大電容的方式進行蓄能,小電容向傳感器系統提供低功耗狀態和正常工作時所需電量,大電容充則用于支持傳感器系統進行無線數據收發等功耗較大狀態所需電量。升降壓模塊根據負載的需要,將電壓穩定3.3V輸出。電路采用兩級變壓和雙電容蓄能方式,在一定程度上降低了電能轉化效率,但大大提高了系統蓄能量并縮短了電路啟動時間和充放電間隔。

3 系統設計

3.1 超低工作電壓啟動電路

溫差發電是將余熱廢熱等低品位能源轉換為電能的有效方式,但溫差發電效率遠低于火力發電、水力發電、光伏發電等常見的發電方式。電路采用的TEG1-241系列溫差發電片,發電效率約為3%,當溫差40℃時可以得到2.2V的開路電壓,發電電流為390mA,但在實際應用中,由于散熱材料和尺寸的限制,溫差常小于10℃,電壓低于1V,甚至低于0.5V。傳統的充電泵的最低輸入電壓在0.9V～1.0V之間,升壓式DC/DC轉換器的最低輸入電壓為1.0V左右(啟動電壓為0.6V～0.7V)。如果輸入電壓降到0.6V以下,則傳統的充電泵或DC/DC轉換器內部的電路(如振蕩器等)不能正常工作。為了克服這一難點,系統采用精工電子有限公司推出的S-882Z超低電壓升壓的方案,該芯片采用了完全耗盡型SOI技術,能在0.3V～0.35V輸入超低電壓下工作,給微弱電壓電源的應用開創了良好的條件[3]。

使用該芯片可以將輸入工作電壓VIN的范圍擴展到0.3V,并對于輸入電壓在0.9V以上(包括0.9V),但需較大輸出電流情況下激活的升壓式DC/DC轉換器來升壓,均可用S-882Z來啟動升壓式DC/DC轉換器。所以,對于溫差片發電等超低電壓的應用而言,顯然具有實際意義。如圖2所示。

圖2 充電泵S-882Z工作原理

其中VM端是升壓DC/DC轉換器輸出電壓監視端子,所監視的輸出電壓開始上升,當VM端子電壓達到開/關控制電壓以上時,S-882Z會轉變為休眠狀態。轉變為休眠狀態后,由于內部的振蕩電路停止工作,因此充電泵也會相應地停止工作,而大幅度抑制消耗電流。

當輸入端VIN輸入0.3V以上的電壓時,振蕩電路就可以工作,輸出時鐘號(CLK),此信號將激勵充電泵電路給電容CCPOUT充電。由于是給電容充電,因此CPOUT端上的電壓是緩慢上升的。當電容CCPOUT上的電壓上升到一定值,即達到放電開始電壓值時,比較器COMP1輸出低電平。正是由于低電平的作用,使放電控制開關P-MOSFET(M1)由“關”的狀態轉變為“開”的狀態。M1變為“開”的狀態之后,電容CCPOUT處所充電的升壓電力會從OUT端子處開始放電;由于放電,當CPOUT端電壓降低到放電停止電壓時,M1就會轉變為“關”的狀態而停止放電;當VM端電壓達到開/關控制電壓以上時,比較器COMP2的輸出信號(EN-)從低電位轉變為高電位,因此,振蕩電路會停止工作,并轉變為休眠狀態;當VM端電壓不能達到開/關控制電壓以上時,會利用來自充電泵電路的升壓電力來對電容CCPOUT進行再充電,但在此之前CCPOUT必須已放電到其端電壓小于放電停止電壓,即M1處于“關”狀態。

本系統采用S-882Z芯片升壓穩壓電路如圖3所示。

圖3 采用S-882Z芯片升壓穩壓電路

其中,升壓電力存儲在外接的啟動用電容器C4中,C4電壓大于0.3V時S-882Z中振蕩電路開始工作,并將轉換后的升壓電力緩慢充至C3,用于啟動升壓DC/DC,合理選用C3、C4的容量可以實現升壓DC/DC的超低壓快速啟動。D3是一個5V穩壓二極管,當Vin大于5V時導通,用于保護升壓芯片U1輸入電壓不超過5V。這種結構確保了溫差發電片在低溫差情況下能量的高效利用。

3.2 超級電容蓄能電路

系統采用超級電容作為系統的蓄能原件,將升壓后的電能儲存在超級電容內,并在需要時將能量送入系統。超級電容是一種介于靜電電容器與電池之間的新型儲能元件,存儲能量可達到靜電電容器的100倍以上,同時又具有比電池高出10～100倍的功率密度,具有充電速度快、使用壽命長、低溫性能優越等特點[5～7]。

電容在放電過程中能夠為系統提供的能量,即有效蓄能可表示為

(1)

其中U1是電容的放電閾值電壓,U2是電容的充電閾值電壓。放電時C越大,電容能夠提供的能量E也越大,充電時C越大,根據式(2)電容達到放電閾值電壓U1的時間也越長。當電容C不變時,蓄能系統是無法同時實現縮短充電時間和提供更大的能量兩個目標的。根據傳感器系統大部分時間工作在低功耗狀態的特點,本文設計了雙電容蓄能模式,蓄能電路如圖4所示。

圖4 蓄能電路

其中C22為小電容,C21為大電容。充電時,5V輸入電壓經防反充肖特基二極管D21和D22后首先為C22充電,當C22電壓大于放電閾值電壓U1后,C21才開始充電。當C21未達到充電閾值電壓U2前,蓄能系統通過C22向外提供能量,當C21電壓超過U2后,蓄能系統向外提供的能量相當于六倍的C22。這種方式既能滿足傳感器系統在低功耗狀態下快速啟動的需要,又為高功耗狀態提供了強大的能量后備。

3.3 升降壓DC/DC電路設計

由于負載需要穩定的輸出電壓,當超級電容電壓降低時,為了繼續驅動負載,超級電容電壓必須通過DC/DC電路后輸出。電路采用TI公司的TPS63030升降壓芯片,它可以將1.8V～5.5V的電壓轉換為3.3V輸出,最大輸出電流1000mA,最高轉化效能達到96%。升降壓電路如圖5所示。

圖5 DC/DC升降壓電路電路

4 應用案例

某傳感器節點放置于發動機附近,用于監測其運行狀態,傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成。處理器采用集單片機于一體的CMT-MOV超低功耗無線收發系統,工作電壓3.3V,其典型工作電流為10mA,低功耗狀態電流小于1mA,耗電可忽略不計,傳感器和無線通信模塊啟動后工作電流為100mA左右。該傳感器節點一旦啟動,長期工作在低功耗狀態;每次進入典型工作狀態連續工作時間10s鐘左右;每間隔10min進入大功耗狀態一次,連續工作不少于20s。根據上述指標,能量供應模塊設計使用了一片TEG1-241發電片,放在發動機散熱片上,平均輸出電壓0.6V,輸出電流50mA,采用0.02F和1F兩個超級電容蓄能,放電域值電壓為3V,可充至4.7V以上。電路由于各種原件損耗,系統整體轉化效能在80%左右[8～10]。

根據式(2)

(2)

當小電容蓄能到3V時電路啟動,時間為根據式(2)計算為3s,此時,如果電路工作于典型工作狀態,可工作時間理論值為25.8s。考慮到系統效能的因素,實際可工作時間在20s左右。若系統一直處于低功耗狀態,雙電容充電至4.7V時間根據式(2)換算為375s,當系統處于大功耗狀態時計算理論工作時間為32s。考慮到系統效能的因素,實際可工作時間在24s左右。上述結果表明,本設計根據傳感器間歇工作的特點選取適當的電容和放電閾值電壓,可以滿足實際應用需要。

5 結語

通過實例驗證,本文設計的電路完全滿足傳感器節點供電需求,并且具備啟動時間短,對散熱要求不高,支持間歇大功率輸出的優點,可直接放置于發動機排氣管、空調出風口、冷熱水管等物體表面,實現微弱能源的采集和利用,具備較高的實用價值。

[1]高錦超.基于節能策略的無線傳感器網絡MAC協議[J].電光與控制,2007,14(1):136-139

[2]楊世超,陶正蘇.一種基于無線傳感器網絡的生物信息檢測系統節點電源設計[J].電子設計工程,2012,2(20):184-188.

[3]SII DC/DC products for PMP Power management[Z].Seiko Instruments(HK)Ltd,2006.

[4]劉盼剛,文玉梅,李平,等.一種磁電自供電無線傳感器電源管理電路研究[J].傳感技術學報,2008,21(8):1427-1431.

[5]Xu Qing.DLC charging performance for micro grid applications[J].Journal of Southeast University(English Edition),2010,26(3):415-420.

[6]張偉民,郭超,姚雷波.超級電容充放電實驗系統的研究與實現[J].化工自動化及儀表,2010,37(9):53-56.

[7]Pierre Mars.超級電容與小型能量采集源的結合[J].技術縱橫,2012(9):43-47.

[8]李偉江.低溫差下半導體溫差發電模塊性能分析與實驗研究[D].上海:同濟大學,2007.

[9]許艷艷,王東生,韓東,等.基于余熱回收的半導體溫差發電模型及數值模擬[J].節能技術,2010(160):168-172.

[10]鄧亞東,范韜,等.汽車尾氣溫差發電裝置及熱電模塊的布置研究[J].武漢理工大學學報,2010,32(2):57-61.

EnergyAcquisitionCircuitBasedonChargePumpS_882Z

LIU Fang XU Gang YUE Weijia

(Army Officer Academy, Hefei 230031)

The power supply is very important in the whole wireless sensor network system.In order to meet the system for micro sensor nodes power requirements, this paper designs the realization of ultra low pressure pump start charging, the double capacitor energy storage, the two PSA weak energy acquisition circuit.The circuit can provide energy storage circuit of energy accumulation in the conditions of low temperature difference, realize energy acquisition of weak temperature, and prepare fastly for power supply according to the characteristics of wireless sensor nodes intermittent work.

thermoelectric power generation, wireless sensor, super capacitor, weak energy

2014年2月23日,

:2014年3月30日

劉芳,女,碩士研究生,講師,研究方向:自動化檢測技術、無線傳感器網絡。許剛,男,碩士研究生,講師,研究方向:裝備測試及軍事計量技術。岳偉甲,男,碩士研究生,講師,研究方向:數字信號處理。

TP211DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.08.048