真正擺脫電網(wǎng)的束縛：面向無線傳感器的堅固型能量收集系統(tǒng)

無線傳感器擁有一個新興和規(guī)模巨大的潛在市場。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現(xiàn)至數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的硬連接) 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。在大多數(shù)場合中，利用主要電池來運行對于此類系統(tǒng)而言是不現(xiàn)實的。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GM BATTERY GMB301009 8mAh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 Advanced Cerametrics Incorporated PFCB-W14 壓電式傳感器來驅動，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。

    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 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 × 180µA ≈ 1.7mW。可用的電流必須對電池進行充電并負責運作用于驅動仿真?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?？紤]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)
    當 PFCB-W14 未輸送功率時，VIN 上的電壓下降至大約：

    于是，反射負載電流計算公式變?yōu)椋?/p>

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 78µA 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) (State of charge，SOC) 達到零之后繼續(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，應用必須確保電池電壓絕對不能降至該限值以下。為此，電池截止電壓被設定為 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)送器的運作或將負載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 2µA。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 100µA 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 2µA 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 2µA 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 + (180µA x 15k) = 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。

結論
    只需借助少量易于使用的組件，即可構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)送器之用。一個集成型斷接開關用于保護電池免遭過度放電的損壞。

    該系統(tǒng)能夠在 75 小時內(nèi)完成電池的滿充電，即使以 0.5% 的占空比運作傳感器-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)運作傳感器-發(fā)送器達 115 小時。如果需要較長的電池工作時間，則可降低傳感器-發(fā)送器占空比以滿足這一要求。