基于单端正激变换的远距离无线传感器网络电源自供电技术

梁 妍， 马爱霞， 郭腾达

(1. 郑州工商学院工学院，河南 郑州 451400; 2. 光力科技股份有限公司，河南 郑州 450001)

0 引 言

在远距离无线传感器网络的应用中，常因远距离无线传感器网络内各节点的电源均为有限的，导致远距离无线传感器网络在能量使用方面存在明显约束条件。远距离无线传感器网络电源所使用的能源通常来自于电池或太阳能，无法满足远距离无线传感器网络长时间的工作需求，因此需要研究一种有效的电源自供电技术。国外有学者研究了压电能量采集技术等供电方法，文献[1]中从压电材料、采集结构等方面做出了一些研究成果，提出了一个垂直交错矩形通孔悬臂模型，从多个方向的振动收集能量，但普遍存在转换效率低、输出功率小等问题。目前相关领域有学者对自供电技术做出一定的研究成果。徐强菊[2]等提出在物联网传感器网络中，通过收集环境中的低频机械振动能量，利用压电陶瓷换能器产生交流电压，经过四倍压电路放大后，通过电源管理电路整流变换，提供了一个供低功耗传感器工作的标准电压。该方法能有效地实现低功耗传感器的供电，但该方法仅考虑了微弱能量收集电路，实际应用中存在一定的局限性。岳钒[3]等提出设计一个自供电型温度传感器系统，设计能量收集、能量存储和传感器节点等模块，利用温差进行能量收集，利用单片机控制能量转化为电功率，实现了系统自供电。该方法较为节能，仅利用温差即可实现系统的正常运行，但温差需要大于30 ℃，这对环境的要求较高，难以实际应用。

但远距离无线传感器网络电源自供电过程中，太阳能或电池输出电压并不稳定[4]，针对这一问题，研究基于单端正激变换的远距离无线传感器网络电源自供电技术，通过控制功率变压器和钳位电容容量，改进单端正激变换器，以提升电源功能转换效率。在对能量稳压处理后，利用单片机检测各供电端电压，选择合适的供电端进行供电，确保输出功率的稳定，实现远距离无线传感器网络电源稳定自供电。

1 远距离无线传感器网络电源自供电技术

1.1 单端正激变换器设计

利用单端正激变换器可转换太阳能电池板输出的直流电压，同时单端正激变换器还能发挥隔离作用，在某些情况下还可发挥变压作用[5-6]。利用单端正激变换器可实现远距离无线传感器网络内电源变换的功能，不仅实现太阳能电池在不同输入电压条件下均有效输出12 V直流电压的目的，同时还可隔离输入交流电源波动[7]，降低太阳能电池输入波动对远距离无线传感器网络电源自供电结构的影响。

1.1.1 单端正激变换器电路结构

具有稳压功能的单端正激变换器采用单端正激变换原理设计，单端正激变换是根据Buck变换拓展产生的直流—直流变换电路[8]，也就是将隔离变压器添加入Buck变换内，构建单端正激变换器，其结构如图1所示。

图1 基于单端正激变换的稳压电路结构

在开关管T闭合的条件下，变压器副边形成电流，反并联二极管 D1和 D2分别处于导通和截止状态，电感电压为正，变压器副边电流线性提升[9]。用DC和TS分别表示开关管导通时间占空比和开关管导通关断周期，在DC×TS期间内，可利用下式计算电感电压uL：

式中：Z1和Z2——初级匝数和次级匝数；

US和U0——输入电压和输出到负载 R上的电压值。

在开关管 T截止的条件下，变压器副边无电流流径，负载电流经反并联二极管 D2续流，在(1-DC)×TS期间内，电感电压和电流分别处于负状态和线性下降状态[10]，公式描述：

稳态状态下，一个周期内电感电压积分值为零，由此能够得到：

通过式（3）能够得到：

其中J表示输出电压与输入电压比值。

通过式（4）得到，单端正激变换器电压增益与开关导通占空比之间表现为正比例相关。

1.1.2 功率变压器设计

功率变压器是单端正激变换器的重要组成部分[11]。在设计单端正激变换器内的功率变压器时，为提升远距离无线传感器网络电源供能的转换效率，在激磁电感固定的条件下降低漏感[12]，在漏感较小的条件下可相应降低钳位电容值，以此优化单端正激变换器的电路动态特性。

1）占空比与初、次级匝数比确定

单端正激变换器内的功率变压器占空比计算公式如下式所示：

其中VRDS和VL分别表示整流管压降和滤波电感压降。

单端正激变换器内的功率变压器占空比可高于0.5，最大占空比可达到0.7。

以Ee和Ew分别表示功率变压器内磁芯柱截面和窗口面积，由此得到功率变压器的功率容量乘积Ep，其计算公式为：

在100 ℃条件下，功率变压器饱和磁通为Bmax，在温升条件下Bmax值会降低，为避免出现单端正激变换器通电瞬间出现磁饱和现象[13]，以保障单端正激变换器稳定运行为目的，设定Bmax值为380 mT。利用下式表示电磁感应定律：

其中ton表示变换器通电时间。通过确定最终匝数比，根据匝数比可确定占空比上限值。

2）功率管反向峰值电压上限值计算

功率管反向峰值电压上限值Uds可描述开关管电压应力计算表达式如下：

在输入电压或输出电压值固定的条件下，匝数比值与Uds值之间为正比例相关[14]，匝数比值越低，Uds值越低。

3）初、次级电感确定

初级电感量计算公式如下：

其中，EL表示电感系数。次级电感量计算公式如下：

由此，通过确定占空比和初、次级匝数比，计算功率管反向峰值电压上限值，确定初、次级电感，实现了单端正激变换器的功率变压器优化设计。

1.1.3 钳位电容计算参数确定

确定单端正激变换器的钳位电容容量。根据电感系数EL和 初级电感量Lp确定钳位电容容量，公式描述如下：

在输入电压为最低值的条件下，占空比值达到上限，在此条件下磁芯复位时间达到下限值，此时钳位电容电压达到上限值，公式描述如下：

综合式（11）和式（12）选用标称值，在实际应用过程中需考虑单端正激变换器电路结构布线与焊点杂散电容对钳位电容容量的影响[15]。

1.1.4 PWM频率控制电路设计

利用脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）芯片调制一系列脉冲宽度，等效获得电源供电所需波形。单端正激变换器内的PWM芯片选取SG3525，如图2所示。

图2 SG3525控制电路

利用SG3525芯片的电容和电阻可以改变输出控制信号的频率，利用电压可以改变输出脉宽，基于上述优势，节点C-DAC通过DAC的2通道隔离控制SG3525的时钟启动电压，实现PWM调频功能。至此，完成对单端正激变换器的改进优化设计。

1.2 远距离无线传感器网络电源自供电实现

远距离无线传感器网络电源自供电实现过程如图3所示，主要通过太阳能电池板、单端正激变换器、超级电容、单片机控制器与可充电锂电池等部件实现。为最大限度上发挥太阳能电池板的效益，采用3块不同朝向的太阳能电池板。

图3 远距离无线传感器网络电源自供电结构

远距离无线传感器网络电源自供电实现过程如下：自供电过程中，需以远距离无线传感器网络节点所处区域可有效获取太阳光为基础，在太阳光可有效照射的条件下，远距离无线传感器可通过太阳能电池板接收太阳能能源，太阳能能源通过单端正激变换器进行稳压处理后，一部分进入超级电容内，剩余部分进入可充电锂电池内，分别对超级电容与可充电锂电池充电。单片机控制器的主要功能是检测整个远距离无线传感器网络电源自供电结构内不同供电端的电压情况，当太阳能电池板输入电压大于超级电容和可充电锂电池端的电压时，单片机控制器开始控制通过单端正激变换器进行稳压处理，并对超级电容和锂电池进行充电，以此显著延缓锂电池充放电过程，提升远距离无线传感器网络电源自供电结构的耐用性。

2 实验分析

实验为验证本文研究的基于单端正激变换的远距离无线传感器网络电源自供电技术在实际远距离无线传感器网络电源自供电中的应用效果，选取某大学实验室内的环境监测系统为研究对象，该研究对象采用远距离无线传感器网络对实验室内部温度、湿度等环境信息进行监测。将本文技术应用于研究对象电源自供电应用中，设定本文技术自供电应用过程中的相关参数如表1所示。

表1 本文技术相关参数

2.1 充放电控制测试

为验证本文技术供电控制的有效性，获取本文技术充放电过程曲线，如图4所示。

图4 充放电过程曲线

由于本文技术中太阳能电池是主要能源供应器，本文技术控制太阳能电池对能量存储器进行供电，在能量存储器的电压上升至预先设定的阈值时，即切换能量存储。分析图4得到，本文技术可实现科学控制充电与供电过程，在150 min时，由于切换能量存储，出现了小幅度的电压变化，短时间内又恢复较为平稳的电压输出。

2.2 单端正激变换器设计

为验证本文技术中单端正激变换器的应用情况，选取12 Ω电阻为负载，变化交流电压幅值，分别将10 V、50 V和100 V交流电压作为采样点，利用单端正激变换器对研究对象电源实现变换，同理利用PWM控制信号控制开关管通断，得到输出电压波形如图5所示。

图5 不同交流电压输入条件下单端正激变换器输出波形

分析图5得到，输入电压同PWM控制信号的占空比之间表现为反比例相关，即输入电压数值越大，PWM控制信号的占空比越小。当输入交流电压为100 V的条件下，PWM控制信号占空比达到最小值，这表明在开关管导通时间值较小的条件下，单端正激变换器即可输出12 V平均电压；在输入交流电压为10 V的条件下，PWM控制信号占空比达到最大值，这表明在开关管导通时间值较大的条件下，单端正激变换器才可输出12 V平均电压。需说明一点，单端正激变换器采用升压形式才能令输入电压较小的条件下依旧输出12 V电压。

2.3 不同负载条件的对比分析

针对研究对象电源自供电电路，其既需要为电源提供所需电压，还需符合电路功率要求。为检测本文技术电源功率输出的稳定性，需在不同负载条件下进行测试。依照测试需求，设定电源功率与负载电阻分别为40 W和5 Ω，获取最大输出功率下的输出电压与电流波形，结果如图6所示。

图6 不同输入电压条件下的测试结果

保持输入电压分别为10 V、50 V和100 V，得到结果如图6所示。图6（a）所示为不同输入电压下的输出电压波动情况，对其进行分析得到，5 Ω负载条件下，单端正激变换器电压波形波动情况同12 Ω负载条件下一致。当输入电压为10 V时，输出电压曲线波动性明显提升，在0.4 s处单端正激变换器输出电压波动峰值与输出电压均值的比值大致为5.5%。图6（b）所示为不同输入电压下电流波形波动情况，对其进行分析得到，在0.4 s处，输入电压为10 V、50 V和100 V时，电流输出较稳定，通过电流与电压的乘积计算单端正激变换器功率分别为40.35 W、41.26 W和41.48 W，输出功率较为稳定。

以上实验结论充分说明本文技术能够在输出电压保持12 V的基础上，完成40 W功率输出。在负载条件一致的状态下，输出功率较为稳定，同输入电压变换较为微弱。同时利用差异负载电阻匹配过程调节输出功率，满足远距离无线传感器网络电源自供电需求。

3 结束语

本文研究基于单端正激变换的远距离无线传感器网络电源自供电技术，设计单端正激变换器电路结构、变压器与钳位电容等，优化单端正激变换器，对太阳能能源进行稳压处理。实验测试结果表明本文技术在电源自供电方面取得了较好的应用效果。随着远距离无线传感器网络技术应用领域的持续扩展，本文技术对于延长传感器网络使用时间，降低传感器网络功率耗损，拓展传感器网络节点设置范围等均产生显著影响，具有显著推广价值。