微型温差电池的无线传感器节点自供电系统※＊

赵耀，侯春萍，由磊

（天津大学电子信息工程学院，天津300072）

引 言

在全球面临能源紧缺、气候变暖等严重问题的情况下，人类为了生存和发展而去开发和利用清洁能源技术。清洁能源包括太阳能、风能、热能、振动能、海洋能，以及其他能量（如人体动能、生化能等）。随着科技的发展，无线传感器网络技术已经渗透到人类生产和生活的方方面面。无线通信网络已经逐步发展到任何人和物件之间能随时、随地通信的物联网，网络规模迅速扩大，但与此同时物联网总体的稳定性和可持续发展问题也越来越突出。同时，为了满足人类生活的需要，越来越多的传感器被安放在人迹罕至或者环境恶劣的地区，这些地区的环境决定了人们无法使用化学电池为无线传感器节点供电。为了解决这些问题，本文采用可再生能源（动态能源）为无线通信节点提供能量。

本文提出了一套微型温差发电器供给无线传感器网络的系统。该系统以微型温差发电器作为能量源，以TI公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作为DC－DC升压变换器，实现了从低至80mV的能量源采集能量［5]，利用外围电路对能量源的最大功率点跟踪控制，并结合能量缓冲器在必要时存储能量，然后通过MIC841N双电压比较器和TPS78001超低压差线性稳压器实现了微型温差能量的有效采集和利用［6]。该系统通过高效的能量收集和有效的能量管理实现了无线传感器网络的功能，成为了真正的能量自供给无线传感器系统。

1 微型温差发电器无线传感器网络节点架构

为了满足微型温差发电器供给的无线传感器网络系统的要求，本文设计了如图1所示的无线传感器节点发射端的系统架构。

由图1可知，微型温差发电器供电的无线传感器网络节点的发射端结构由温差电能收集器、具有MPPT功能的升压电路、能量缓冲器和系统负载（无线传感器节点）组成。温差电能收集器是由热电转换芯片组成的，可以根据实际应用场所的大小和所需电能的多少，决定热电转换芯片表面积大小和叠加的层数，以满足不同应用环境的需求。

图1 微型温差发电器无线传感器网络节点发射端架构

在微型温差发电器供电的无线传感器网络节点中，电源能量管理集成电路（Power Management Integrated Circuit，PMIC）是极其重要的一环，主要由最大功率点跟踪模块（MPPT）、电能输出接口、充电器（DC－DC升压模块）、能量缓冲器构成，其中能量缓冲器电路由储能电容、比较器电路和稳压器电路构成。系统负载主要为处理传感器采集到的数据，通过无线发射模块发射出去。

2 电源能量管理控制电路设计方案

2.1 整体设计

电源管理控制电路主要包含了如下功能：最大功率点跟踪、DC－DC升压转换和能量缓冲。

系统温差能量采集和应用电路原理图略——编者注。其主要是由芯片BQ25504、MIC841N、TPS78001和储能电容器，以及相应的外围电路构成。TI公司生产的BQ25504电源管理芯片主要实现了从热能转换模块中以超低功耗提取能量。BQ25504是一个16引脚、3mm×3mm封装的高效率能量管理芯片，16个引脚依次逆时针分布，通过合理应用这些引脚的相应功能，实现了微型能量的高效管理。除此之外，该芯片的一个显著优点是拥有超低的工作启动电压，使得它可以在稳定工作时从低至80mV的能量源提取能量，并对超低电压进行升压转换，以便后续电路进行存储使用。在本设计电路中，搭配合适的外围电路实现了从超低功率能量源采集电能的最大功率点跟踪，这对于微型温差能量自供给系统起到至关重要的作用。同时，通过外围电路设定过压和欠压电路保护，保证芯片稳定工作。

MIC841N是一个超低功耗的具有内部参考电压的双电压比较器，通过设置其电压比较的上限和下限来驱动后面的线性稳压器。其工作特点是，通过不断检测引脚VDD上的电压，与引脚LTH和HTH上设定的工作电压进行比较，从而确定输出电压（即引脚OUT的输出信号）的高低，进而控制稳压器TPS78001的工作状态。

TPS78001是TI公司生产的超低功耗稳压器，它可以实现电路输出电压的稳压作用，通过设置相应外围电路的电阻参数使输出得到一个稳定的电压，这样就可以稳定驱动后面的无线传感器发射节点。

2.2 具备MPPT功能的DC－DC升压转换以及储能电路设计

带MPPT功能的DC－DC升压电路和能量存储电路原理图略——编者注。其主要是由电能管理芯片BQ25504及其外围电路构成，主要功能是MPPT、DC－DC升压变换，以及能量存储电路。TEG（Thermoelectric Generator）即是微型温差发电器，它输出的是温差电转换的裸电压。

2.2.1 最大功率点跟踪（MPPT）功能电路设计

最大功率点跟踪（MPPT）是一种最大化利用发电器产生电能的技术［7]。本文通过一定的电气模块调节微型温差发电器温差芯片的输出电压，从而实现温差发电器输出功率的最大化。根据已知的微型温差发电器输出特性曲线，当输出电压大约等于开路电压的50%时可以得到最大输出功率［8]。从TEG提取最大功率的技术主要是动态改变DC－DC转换器开关频率，本文根据这一特性采用电阻比例分压法，利用BQ25504实现了输出电压为开路电压的一半，进而实现了输出功率的最大化。

为了实现MPPT功能，在引脚VIN＿DC和引脚VOC＿SAMP分别接电阻ROC2和电阻ROC1。VIN＿DC通过ROC2接VOC＿SAMP，VOC＿SAMP通过ROC1接地，然后按照以下的方式确定ROC1和ROC2的阻值。

VIN＿DC是电压输出端，通过ROC1和ROC2的分压作用，使得VOC＿SAMP处的电压为：

又因为TEG输出的电压大约等于开路电压的50%时可以得到最大输出功率，因此ROC1／（ROC1＋ROC2）的值应为1／2，因此ROC1＝ROC2，在电路设计实际中，本文选择了10MΩ作为其阻值，因此ROC1＝ROC2＝10MΩ。

BQ25504芯片每16s采样一次引脚VOC＿SAMP的电压值，当温差发电器的输出功率发生变化时，可以保证在较短时间内准确跟踪到微型温差发电器输出功率的最大点，实现有效的电能采集。

2.2.2 DC－DC超低电压升压功能电路设计

BQ25504的另一个重要的功能就是可以实现在稳定工作时从低至80mV的电压中持续汲取能量。BQ25504的充电电路由集成在芯片内部的DC－DC升压模块构成。内部升压模块通过脉冲频率调制将输入电压调节到芯片能量存储设备需要的电压。为了保护电能存储（储能电容器）设备寿命长且高效工作，本文结合BQ25504为充电电路设定了欠压阈值（VBAT＿UV）、充电完成阈值（VBAT＿OK）、过压阈值（VBAT＿OV）。VBAT＿UV和VBAT＿OV的设定分别用于避免储能电容器储能设备过度放电和过度充电，尽可能延长储能电容器的使用寿命。VBAT＿OK的设定用于控制充放电过程，进而控制整个电路的工作流程。

结合充电电路的实际情况，设定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确定外围电阻的阻值：

其中，VBIAS是BQ25504的内部参考电压，其值为1.240V，并且本文约定RUV1＋RUV2＝10MΩ，ROV1＋ROV2＝10MΩ，ROK1＋ROK2＋ROK3＝10MΩ。得到：

2.2.3 DC－DC超低电压升压功能电路设计

本文设计的能量缓冲器电路是在BQ25504芯片的输出位置通过一个二极管D1接入一个储能电容器。通过储能电容器的应用可以实现，在温差能充足时，DC－DC转换后的能量不仅能够供给无线传感器节点使用，而且多余的能量可以存储在储能电容器中，实现能量的最大节约；温差发电器采集到的电量不足时，储能电容器可以暂时充当能量源的角色，保证无线传感器节点能够有效工作。同时，二极管D1的存在避免了储能电容器反向给温差发电器充电情况的发生。

在实际应用中，按照这些阻值选择电阻连接电路，即可实现对储能电容器充放电的监测和保护，延长储能电容器的工作寿命。

2.3 MIC841N为核心的比较器电路设计

采用MIC841N作为电压比较器，以实现对储能电容存储电压的检测，并对后续线性稳压器的工作状态进行控制。图2所示是MIC841N工作参考电路，本文依托参考电路，通过合理设置外围电阻等器件参数来实现比较控制功能。

图2 MIC841N工作参考电路

首先连接好电路，Vin一端接前面电路的储能电容器的正极，另一端通过电阻R2接入LTH端，LTH端和HTH端通过电阻R3相连，HTH端串接电阻R4后接地，Vout接TPS78001芯片的EN端。

根据MIC841N芯片的特性，低电压阈值为：

高电压阈值为：

对于MIC841N芯片来说，RREF＝1.240V。

由于本文是要驱动一个无线发射模块，根据所使用无线发射模块的工作电压范围（2.4～3.0V），可知VIN（lo）＝2.4V，VIN（hi）＝3.0V，由此可以确定外围电阻R4、R2、R3的阻值。在实际操作中，设定R4＋R2＋R3＝1MΩ，可以计算出：R2＝484kΩ，R3＝413kΩ，R4＝103kΩ。

微型温差发电器采集到的能量给储能电容器充电是储能电容器两端的电压逐渐升高的过程，而其放电过程是电容器两端的电压缓慢下降的过程。双电压比较器MIC841N的Vin处的输入电压即是电容器两端的电压，那么MIC841N的输出结果如图3所示。

图3 MIC841N输出结果

从输出结果可以看出，只有电容器的电压在一定范围内的时候才能输出一个高电平，这恰恰可以用来控制后续稳压器模块的中断，进而有效地利用能量。

2.4 TPS78001为核心的储能电容器放电稳压电路设计

在实际应用中，储能电容器两端的电压会随着放电时间的延长逐渐下降。在本文研究的实例中，微型温差发电器采集到的能量很有限，而后续的无线射频发射模块需要工作在一定的电压范围内，如果任由储能电容器自由放电，那么无线射频发射模块只能工作很短时间，其他时间电容器的电压都不够无线射频发射模块使用，这部分电能就会被浪费掉。为了解决这个问题，必须添加一个受控的稳压器来使储能电容器的放电电压稳定在一个可以使无线射频发射模块工作的电压值。

本文采用TPS78001芯片作为稳压输出设备。图4所示为TPS78001的工作参考电路图。

图4 TPS78001的工作参考电路图

TPS78001的输出电压可以通过设定电阻R1和R2的值稳定在1.2～5.1V的任何一个值。Vout和VFB的关系如下所示：

VFB是内部设定的参考电压，它的值为恒定的1.216 V，而Vout需要稳定在3V左右，因此可得两个电阻之间的关系。在本文中设定R6＝1MΩ，因此

3 电路整体工作方式和测试

本文电路整体工作方式如下：首先TEG将温差能转换为电能，电能通过MPPT接口实现电能功率的最大化利用，然后经过DC－DC升压装置将电压升到3V左右，开始给储能电容器充电。如果TEG产生的电能功率很大，则电路给储能电容器充电，同时驱动后面的比较器、稳压器以及无线发射模块。若TEG产生的电能比较微弱，则首先给储能电容器进行充电，随着充电的进行，当储能电容器中的电压达到双电压比较器MIC841N的阈值电压时，比较器输出一个高电平，使稳压器TPS78001处于使能工作状态，稳压器稳定工作，然后储能电容器开始给后面的无线传感器节点供电；当储能电容器放电一段时间后，其电压下降，当下降到MIC841N的低压阈值时，MIC841N输出低电平，此时稳压器TPS78001处于中断状态，储能电容器不再对外放电，而开始继续充电，循环往复，电路会一直工作下去。

实验中采用的TEG是德国Micropelt公司生产的TE－Core－direct，无线发射接收模块使用TI公司生产的RF2500模块。设计实现了在温差低至3℃的能量采集，可以将数据直线发送到相距62.7m的接收端。

结 语

本文提供了一种基于微型温差电池的无线传感网络节点自供电系统，选择BQ25504、MIC841N和TPS78001芯片设计相关外围电路。实验结果表明，该自供电系统启动电压低，能以最大功率点输出；发射模块传送距离可达62.7m，可直接放置于暖气片、空调出风口等物体表面，实现微弱能源的采集和利用。该系统能有效解决无线传感网络节点能源供电问题，具备较高的实用价值。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

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