基于S_882Z的能源采集电路设计*

(陆军军官学院 合肥 230031)

基于S_882Z的能源采集电路设计*

刘芳许刚岳伟甲

(陆军军官学院 合肥 230031)

电源在整个无线传感器网络系统中具有极其重要的意义,为了满足系统为微型传感器节点供电的需求,论文设计了采用充电泵实现超低压启动,双电容蓄能,两级变压的微弱能源采集电路。该电路能够在低温差条件下为蓄能电路积累能量,实现低温差环境下的微弱能量采集,并能够根据无线传感器节点的间歇性工作的特点,快速做好供电准备。

温差发电; 无线传感器; 超级电容; 微弱能源

ClassNumberTP211

1 引言

无线传感器网络正在逐渐成为一个非常重要的技术领域,已经有低功率无线传感器平台进入市场,而这些平台的设计大都使用电池。由于普通电池的寿命有限,需要定期更换电池。这样不仅工作量大,成本高,浪费也严重;而且对于大面积的无线传感器网络来说,如环境监测时,电池的更换较难。因此,“无源”、“无线”是许多传感器系统所追求的目标。如何将自然环境中的能量并转换为电能,实现传感器的自供电,成为目前的研究热点之一[1～2]。本文设计了基于充电泵S-882Z的微弱能源采集电路,该电路能在0.3V～0.35V输入电压下工作,解决了超低压启动问题[3～4];采用双电容蓄能、与升压式DC/DC转换器配合等技术,给微弱电压的能源创造了一个有效利用的条件,适用于间歇功率输出的传感器节点。

2 系统构成

该装置主要由热电效应发电片(温差发电片)、超低工作电压启动电路、超级电容蓄能电路、升降压电路等部分组成,系统整体结构如图1所示。

图1 能源采集电路系统结构图

温差发电片是由一对PN电偶臂构成,使用时将温差发电片一面与热源接触,另一面与大气或者散热片接触,当电偶臂两端存在温差时,PN结两种不同热电材料将产生塞贝克效应,从而在回路中产生电流[5～7]。温差片发电的效率主要取决于热端和冷端的温度和温差发电材料的品质因数Z,Z值还强烈地依赖于温度,因而对于不同的工作温度需要选取不同的材料。充电泵模块将温差发电片产生的电压提升并稳定在5V,给超级电容蓄能充电。蓄能模块由两个容值不同的超级电容构成,按先充小电容再充大电容的方式进行蓄能,小电容向传感器系统提供低功耗状态和正常工作时所需电量,大电容充则用于支持传感器系统进行无线数据收发等功耗较大状态所需电量。升降压模块根据负载的需要,将电压稳定3.3V输出。电路采用两级变压和双电容蓄能方式,在一定程度上降低了电能转化效率,但大大提高了系统蓄能量并缩短了电路启动时间和充放电间隔。

3 系统设计

3.1 超低工作电压启动电路

温差发电是将余热废热等低品位能源转换为电能的有效方式,但温差发电效率远低于火力发电、水力发电、光伏发电等常见的发电方式。电路采用的TEG1-241系列温差发电片,发电效率约为3%,当温差40℃时可以得到2.2V的开路电压,发电电流为390mA,但在实际应用中,由于散热材料和尺寸的限制,温差常小于10℃,电压低于1V,甚至低于0.5V。传统的充电泵的最低输入电压在0.9V～1.0V之间,升压式DC/DC转换器的最低输入电压为1.0V左右(启动电压为0.6V～0.7V)。如果输入电压降到0.6V以下,则传统的充电泵或DC/DC转换器内部的电路(如振荡器等)不能正常工作。为了克服这一难点,系统采用精工电子有限公司推出的S-882Z超低电压升压的方案,该芯片采用了完全耗尽型SOI技术,能在0.3V～0.35V输入超低电压下工作,给微弱电压电源的应用开创了良好的条件[3]。

使用该芯片可以将输入工作电压VIN的范围扩展到0.3V,并对于输入电压在0.9V以上(包括0.9V),但需较大输出电流情况下激活的升压式DC/DC转换器来升压,均可用S-882Z来启动升压式DC/DC转换器。所以,对于温差片发电等超低电压的应用而言,显然具有实际意义。如图2所示。

图2 充电泵S-882Z工作原理

其中VM端是升压DC/DC转换器输出电压监视端子,所监视的输出电压开始上升,当VM端子电压达到开/关控制电压以上时,S-882Z会转变为休眠状态。转变为休眠状态后,由于内部的振荡电路停止工作,因此充电泵也会相应地停止工作,而大幅度抑制消耗电流。

当输入端VIN输入0.3V以上的电压时,振荡电路就可以工作,输出时钟号(CLK),此信号将激励充电泵电路给电容CCPOUT充电。由于是给电容充电,因此CPOUT端上的电压是缓慢上升的。当电容CCPOUT上的电压上升到一定值,即达到放电开始电压值时,比较器COMP1输出低电平。正是由于低电平的作用,使放电控制开关P-MOSFET(M1)由“关”的状态转变为“开”的状态。M1变为“开”的状态之后,电容CCPOUT处所充电的升压电力会从OUT端子处开始放电;由于放电,当CPOUT端电压降低到放电停止电压时,M1就会转变为“关”的状态而停止放电;当VM端电压达到开/关控制电压以上时,比较器COMP2的输出信号(EN-)从低电位转变为高电位,因此,振荡电路会停止工作,并转变为休眠状态;当VM端电压不能达到开/关控制电压以上时,会利用来自充电泵电路的升压电力来对电容CCPOUT进行再充电,但在此之前CCPOUT必须已放电到其端电压小于放电停止电压,即M1处于“关”状态。

本系统采用S-882Z芯片升压稳压电路如图3所示。

图3 采用S-882Z芯片升压稳压电路

其中,升压电力存储在外接的启动用电容器C4中,C4电压大于0.3V时S-882Z中振荡电路开始工作,并将转换后的升压电力缓慢充至C3,用于启动升压DC/DC,合理选用C3、C4的容量可以实现升压DC/DC的超低压快速启动。D3是一个5V稳压二极管,当Vin大于5V时导通,用于保护升压芯片U1输入电压不超过5V。这种结构确保了温差发电片在低温差情况下能量的高效利用。

3.2 超级电容蓄能电路

系统采用超级电容作为系统的蓄能原件,将升压后的电能储存在超级电容内,并在需要时将能量送入系统。超级电容是一种介于静电电容器与电池之间的新型储能元件,存储能量可达到静电电容器的100倍以上,同时又具有比电池高出10～100倍的功率密度,具有充电速度快、使用寿命长、低温性能优越等特点[5～7]。

电容在放电过程中能够为系统提供的能量,即有效蓄能可表示为

(1)

其中U1是电容的放电阈值电压,U2是电容的充电阈值电压。放电时C越大,电容能够提供的能量E也越大,充电时C越大,根据式(2)电容达到放电阈值电压U1的时间也越长。当电容C不变时,蓄能系统是无法同时实现缩短充电时间和提供更大的能量两个目标的。根据传感器系统大部分时间工作在低功耗状态的特点,本文设计了双电容蓄能模式,蓄能电路如图4所示。

图4 蓄能电路

其中C22为小电容,C21为大电容。充电时,5V输入电压经防反充肖特基二极管D21和D22后首先为C22充电,当C22电压大于放电阈值电压U1后,C21才开始充电。当C21未达到充电阈值电压U2前,蓄能系统通过C22向外提供能量,当C21电压超过U2后,蓄能系统向外提供的能量相当于六倍的C22。这种方式既能满足传感器系统在低功耗状态下快速启动的需要,又为高功耗状态提供了强大的能量后备。

3.3 升降压DC/DC电路设计

由于负载需要稳定的输出电压,当超级电容电压降低时,为了继续驱动负载,超级电容电压必须通过DC/DC电路后输出。电路采用TI公司的TPS63030升降压芯片,它可以将1.8V～5.5V的电压转换为3.3V输出,最大输出电流1000mA,最高转化效能达到96%。升降压电路如图5所示。

图5 DC/DC升降压电路电路

4 应用案例

某传感器节点放置于发动机附近,用于监测其运行状态,传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成。处理器采用集单片机于一体的CMT-MOV超低功耗无线收发系统,工作电压3.3V,其典型工作电流为10mA,低功耗状态电流小于1mA,耗电可忽略不计,传感器和无线通信模块启动后工作电流为100mA左右。该传感器节点一旦启动,长期工作在低功耗状态;每次进入典型工作状态连续工作时间10s钟左右;每间隔10min进入大功耗状态一次,连续工作不少于20s。根据上述指标,能量供应模块设计使用了一片TEG1-241发电片,放在发动机散热片上,平均输出电压0.6V,输出电流50mA,采用0.02F和1F两个超级电容蓄能,放电域值电压为3V,可充至4.7V以上。电路由于各种原件损耗,系统整体转化效能在80%左右[8～10]。

根据式(2)

(2)

当小电容蓄能到3V时电路启动,时间为根据式(2)计算为3s,此时,如果电路工作于典型工作状态,可工作时间理论值为25.8s。考虑到系统效能的因素,实际可工作时间在20s左右。若系统一直处于低功耗状态,双电容充电至4.7V时间根据式(2)换算为375s,当系统处于大功耗状态时计算理论工作时间为32s。考虑到系统效能的因素,实际可工作时间在24s左右。上述结果表明,本设计根据传感器间歇工作的特点选取适当的电容和放电阈值电压,可以满足实际应用需要。

5 结语

通过实例验证,本文设计的电路完全满足传感器节点供电需求,并且具备启动时间短,对散热要求不高,支持间歇大功率输出的优点,可直接放置于发动机排气管、空调出风口、冷热水管等物体表面,实现微弱能源的采集和利用,具备较高的实用价值。

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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

刘芳,女,硕士研究生,讲师,研究方向:自动化检测技术、无线传感器网络。许刚,男,硕士研究生,讲师,研究方向:装备测试及军事计量技术。岳伟甲,男,硕士研究生,讲师,研究方向:数字信号处理。

TP211DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.08.048