基于接口电路特性的动能供能物联网节点优化设计*

汤 鸿，李 鑫，梁俊睿

(1.上海科技大学信息科学与技术学院，上海 201210；2.中国科学院大学上海微系统与信息技术研究所，上海 200050；3.中国科学院大学，北京 100049)

目前，大多数的物联网设备都是由电池进行供电的。但是由于电池的容量有限，随着物联网设备的增加，电池的维护将会成为一个亟待解决的问题。除此之外，电池还会造成环保安全问题。基于电池的这些缺点，利用能量收集技术设计能够实现自供电的物联网传感节点是一项非常重要和有前景的解决方案。通过俘获环境中的能量来代替电池，很有希望实现物联网传感节点的永续能。在众多能量收集技术中，振动能量的分布广泛，并且不受到时间的限制，因此本文使用振动能量作为环境能源。在这几种常用的动能收集器中，压电的研究最为成熟，已经有许多的学者为其提出了相关的接口电路[1-7]。因此本研究中使用压电来实现动能供能的物联网节点。

想要利用振动能量，除了使用压电将振动能量转化成电能，还需要使用接口电路。由于振动能量收集器中产生的电能是交流电，而传感器网络节点需要使用直流电来进行供电，所以需要使用接口电路将交流电转换成直流电。接口电路除了以上的功能以外，还可以提供能量收集的效率和扩展能量收集系统的带宽。在压电能量收集系统中，最简单的标准接口电路(Standard Energy Harvesting，SEH)是桥式整流电路，将交流电转换成直流电。由于压电材料具有电容的特性，因此其输出的电压和电流具有相位差，引入了无功功率，如图2(a)。为了解决这个问题，文献[8]中首次引入非线性的方法。基于这种同步开关的思想，涌现了大量的接口电路。例如，同步电荷提取接口电路(Synchronous Electric Charge Extraction，SECE)[1]，预偏置电路[2-3，9]、能量注入与回收接口电路[4-5]、同步电压多次翻转电路[6-7]等等。其中，SECE电路的特点是除了能够大大地提高能量俘获效率外，还可以将源和负载解耦。使得理论上，能量俘获的效率与负载无关[1]。虽然有大量的关于接口电路的文章，但这些工作中大多是使用阻性负载来衡量电路的性能，鲜有使用物联网节点作为负载的工作。

目前也涌现出了许多关于动能供能物联网节点的研究[10-12]。这种动能供能的节点的典型工作流程如图1所示，主要包括冷启动阶段和任务执行阶段，图中为储能电容的电压波形。在动能供能的物联网节点中，一个非常重要的性能衡量标准是其冷启动时间。这种物联网节点不是由电池供电的，储能单元通常为电容。当电容中的电压达到某个值时，标志着其能量足够让节点启动，这时候会使用电容中的电为节点供能。这个电压称为冷启动电压，电容电压从零开始到达冷启动电压的时间称为冷启动时间。其中本文主要想要优化冷启动时间。如果接口电路能够在零到冷启动电压这个区间内更加高效地工作，就能缩短启动时间。因为环境中的振动能量的起始时间是非常不确定的，时有时无，因此一个节点如果可以更快的启动，有利于提高其工作效率。

图1 动能供能物联网节点工作阶段及对应的储能电容电压波形

目前的研究中，鲜有关于接口电路的选用对于物联网节点的影响。文献[13-14]在动能供能物联网节点中使用到了同步开关电感(SSHI)电路。文献[15]研究了使用SSHI电路对于SEH的优势，但是没有考虑到SECE的优势。另外，该文献中关注的是相同时间内输入相同的振动，使用哪种接口电路可以在电容中存储更多的能量。但是这个指标无法反映哪个接口电路更快的到达冷启动电压。本文章关注的是输入相同的振动，哪种接口电路可以更快地让电容存储到某个能量值。也就是关注使用哪种接口电路可以使得物联网节点更快地冷启动。本文根据不同的接口电路的特点以及物联网节点的工作特性及需求，提出了不同冷启动电压的物联网节点应该选择不同的接口电路的思路。通过实验证明在冷启动电压低于某个值的时候，选用SECE电路更加具有优势，高于该值时，SSHI电路的表现更好。此研究还实现了一个可以由动能供能的物联网节点，其可以采集模拟电压信号，并且以300 ms为周期发送无线信号到接收端。此研究提出了一种 新的思路，除了要注重接口电路在一段时间能收集 到的能量，还要考虑动能供能节点的冷启动电压。

1 接口电路

在压电能量收集技术中，常用的接口电路包括SSHI和SECE，它们的核心目的都是改善接口电路的功率因数，以减轻使用SEH时无功功率带来的影响。

1.1 同步开关电感电路(SSHI)

SSHI电路的电路拓扑及电压与电流的波形图如图2(b)所示。SSHI电路可以分为串联型SSHI(S-SSHI)电路和并联型SSHI(P-SSHI)，图2(b)中的为P-SSHI。由于P-SSHI的功率相比于S-SSHI更高，因此本文中讨论的是P-SSHI。对于P-SSHI来说，通常情况下开关S都是断开的。这时候ieq为Cp充电。当ieq上的电压达到最大值的时候，ieq正好经过零点，这时候开关闭合。Cp和Li组成一个LC震荡电路。在1/2震荡周期以后，开关S断开。Cp上的电压实现了翻转。由于LC的震荡频率远远大于机械振动的频率，ieq的波形几乎不会变化。接着，ieq继续往Cp充电，重复上面的过程。SSHI实现的电压翻转使得ieq和vp的正负值保持相同。理论上，使用SSHI可以避免无功功率的产生。

图2 接口电路的拓扑及其对应的电压电流波形

1.2 同步开关电荷提取电路(SECE)

SECE电路的电路拓扑及电压与电流的波形如图2(c)所示。其电路由整流桥及Buck-boost电路组成。同SSHI电路一样，SECE电路也需要用到同步开关。在通常情况下开关S处于断开的状态，这时候的电路与SEH电路无异，ieq对电容Cp进行充电，在这个过程中Cp也就是压电片两端的电压处于不断地上升的状态。当ieq为0的时候，Cp两端的电压此时也正好为最高值。这时候开关S会闭合，Cp和Li会组成一个震荡电路。经历1/4震荡周期以后，Cp中的电荷全部转移到Li中，在这时候断开开关，Li就开始为电容Crect充电。

从电流电压的波形如图2(c)可以看出SECE电路可以使得电压vp和电流ieq总是保持在正负值相同的状态。另外，若ieq的值不发生变化的话，在每次闭合开关，从Cp流入到Li的能量都是相同的。此时，使用SECE可以使得输出的功率电压与负载无关。

1.3 自供能的实现

想要实现图2的SSHI和SECE电路，需要检测压电片的输出电压是否为峰值，于是需要用到需要额外电池供电的外部控制器。为了实现自供能，可以将电压检测和开关控制的功能替换成由包络检波器、比较器以及半导体开关组成的自检测开关，如图3所示。利用这种开关，可以自动在压电片输出为峰值电压的时闭合开关，以实现同步电荷翻转和同步电荷提取的效果。

以图3(b)为例子分析同步开关的原理。大部分的时间里，三极管T2都处于断开的状态，压电换能器给Cp和电容C1充电，它们的电压值v1和vp上升。比较器可以比较C1和Cp的电压。因此，当vp开始下降的时候，如果忽略二极管产生的压降的话，v1电压会高于vp。如果二极管的压降不可忽略的话，v1会在vp下降一小段时间后大于它。这时候，三极管T2作为开关导通，使得vp产生电压翻转。

图3 自供能SECE电路和SSHI电路

利用此开关电路，可以实现自供能的SSHI电路(SP-SSHI)如图3(b)和SECE电路(SP-SECE)如图3(a)。其中SP-SSHI电路参考文献[16]实现。SP-SECE电路在参考SP-SSHI的基础上加入了一个电阻R3。该电阻作为一个冷启动电阻，为电路中的寄生电容提供放电通路。电路中的寄生电容Cpara中的电能如果无法得到释放，就会使得vp电压开始下降时，作为比较器的T1基极的电压不下降，无法正常工作。为了减少这个过程中的损耗，R3会选一个非常大的电阻，以减少其带来的损耗。

2 动能供能的物联网传感器节点

2.1 概述

如图4所示，一个振动能量功能的物联网传感节点有六个部分组成:振动源，能量收集器，接口电路，能量存储单元，DC-DC转换器和能量使用单元。能量收集器负责将环境中的的振动能转换成电能。其后的接口电路的基础功能是将能量收集器产生的交流电转换成直流电，将其存储在能量存储单元中。电容中的电压是不断变化的，因此还需要一个DCDC变换器来将起转换成一个稳定的电压，才能为能量使用单元供电。能量使用单元在物联网传感节点的任务执行感知和无线数据传输的任务。

图4 动能供能的物联网节点系统框图

之所以需要能量存储单元，是因为环境中的能量比较微弱，因此能量收集器产生功率通常是不够给能量使用单元进行供电的，这时候就需要一个能量存储单元来存储能量，等到其中的能量足够能量使用单元使用的时候就从能量存储单元中释放能量来满足能量使用单元执行操作的需求。

在动能供能的物联网节点中，DC-DC变换器的设计中很重要的设计考虑是其冷启动电压Vstart和关闭电压Vstop。其中关闭电压指的是，如果储能电容的电压小于某个值，DC-DC变换器就会被关闭，使得电容中的电不会漏完，在下次启动需要的能量更少。根据电容的能量公式，DC-DC变换器在开始工作的时候能够提供的最大能量是

2.2 接口电路的选择

接口电路对于动能供能的物联网节点的设计也具有影响。理论上来说，SSHI相比于SEH，其收集功率可以提高到原来的900%[8]，SECE的收集功率相比 于SEH，在 弱 耦 合 的 情 况 下，可 以 为 其400%[1]。因此，SSHI对于SECE具有更大的最高功率。但是对于SSHI电路来说，它需要在负载的电压达到一定值时，其收集功率才会比较高[16]。在电压比较低的时候SSHI的收集功率很低。因此，理想情况下，在电压较低的情况下SECE有更高的收集功率，当电压升高到一定程度以后SSHI有更高的收集功率。这表明了，随着电压的升高，SECE的功率和SSHI的功率会有一个交点。结合物联网节点的Vstart，如果在到达Vstart的时候SECE收获的能量更多，选择SECE更好，否则选用SSHI更好。

目前市面上和研究中有很多的能量管理芯片，这些电压阈值通常比较低，比如在振动能量收集研究中常用的凌力尔特推出的LTC3588-1。使用这些芯片的时候使用SECE能够提高系统的效能。相反地，如果使用冷启动电压比较高的芯片，使用SSHI电路更合适。

2.3 动能供能的物联网节点实现

动能供能的物联网节点的系统框图如图4所示。其中振动源是由激振器(KDJ50)来产生的。动能收集器的核心是压电片。压电片被固定在一个铜片上，构成悬臂梁的结构。固定激振器时带动悬臂梁压电片振动，产生电能。接口电路选用为SEH，SSHI或者SECE，其中SSHI(如图3(b))和SECE(如图3(c))采用的是自供能的方式，他们的器件型号列于表1。能量存储单元为一个普通的电解电容。DC-DC变换器使用的是LTC3588-1内建的变换器。通过配置外围电路设置LTC3588-1中的DC-DC变换器的冷启动电压为5 V。另外，需要注意的是虽然LTC3588-1内部带有整流桥，但是当接口电路为SECE时，该整流桥无法被利用。因此，为了使每个接口电路所使用的的元器件一致，此系统中不使用LTC3588-1中的整流桥，而使用外部的整流桥，其型号为M6Bs。

表1 接口电路使用的元器件型号

能量使用单元使用nRF52832片上系统搭建。其由Nordic公司开发，是一款应用广泛的片上系统，并且以低功耗著称。同时，它集成了蓝牙，非常适合用来制作物联网节点。物联网节点的实现采用了模块化的思想，将各种接口电路，DCDC变换器，能量使用单元等做成相同大小的模块，如图5(b)。每个模块的大小为5 cm×5 cm。

图5 实验设置

4 实验和讨论

实验部分由两个实验构成:电容充电实验以及物联网节点工作情况的实验。两个实验中采用了相同的振动条件，振动源有激振器产生。它产生加速度为9.02 m/s2频率为12.5 Hz的正弦振动。实验设置如图5。

4.1 电容充电实验

在电容充电实验中，使用SEH、SSHI以及SECE分别为一个电容充电，由于同一个电容中存储的电量与电压的平方呈正比，因此使用电容的电压可以反映电容的能量。采用激振器产生的振动为三种电路供电。因为LTC3588-1中的DC-DC变换器的冷启动电压是5 V，所以在实验中，选取电容电压到达5 V的时间作为衡量电路的性能指标，实验中选用了两种电容，一个为10μF的电容，另一个为100 μF的电容。选用不同大小的电容是因为在实际的节点中，一个物联网节点的传感器功耗等级是多种多样的，因此也需要不同大小的储能电容来满足不同传感器的要求。实验结果如图6所示，图6(a)表示的是10μF电容的充电曲线，6(b)表示的是100μF电容的充电曲线。两个结果都表明使用SECE作为接口电路，电容的电压可以更快地达到5 V，也就是说使用LTC3588-1的物联网节点的启动速度更加快。从实验结果中也可以看到，随着时间地上升SECE所对应的曲线的电压和SSHI的与SEH的会分别有交叉点。这是因为SSHI和SEH的充电功率随着电压会先上升后下降，而理论上SECE的功率随着电压的变化不会有什么变化。再加上SSHI的最大充电功率是大于SECE的，因此这两个电路的充电曲线会存在交叉点。由于器件的非理想性，使用SECE的功率可以能会小于使用SEH的功率，因此这两个电路的充电曲线也存在交叉点。如图所示，当储能电容为10μF时，SECE与SSHI所对应的电容中的电压同时达到6.605 V，与SEH所对应的电容中的电压同时达到9.995 V。当储能电容为100μF时，SECE与SEH所对应的电容中的电压同时达到6.077 V，与SEH所对应的电容中的电压同时达到8.561 V。在经过这个交叉点以后，使用SSHI或者SEH时电容中存储的能量已经大于使用SECE的情况了。因此，如果DC-DC变换器的电压启动比较高的时候使用SSHI或者SEH，启动时间会更加的短。在这个实验中，由于LTC3588-1的启动电压为5 V。因此对于使用两种电容的节点来说，都是使用SECE最佳。

图6 储能电容为10μF及100μF时分别使用SECE，SSHI和SEH的充电波形

4.2 物联网节点工作实验

为了验证系统在实际工作情况下的差别，我们实现了一个具有感知和无线数据发送功能的动能供能物联网节点。传感的功能是通过nRF52832内部的ADC实现的。需要注意的是，这里没有具体的传感器，但是因为许多的传感器提供的是模拟的电压信号，因此使用ADC可以实现传感的功能。无线通信方面使用的是由Nordic开发的增强型ESB通信协议。在这个节点中，储能单元为33μF的电容。实验结果如图7所示。

大多数情况下，片上系统处于睡眠模式功耗非常低，收集到的能量被存储在电容中。初次启动的时候，节点会进行初始化。然后，每隔一个300 ms的周期时间，片上系统会进入工作状态的时候，这时消耗的功率大于收集的功率，造成电容中能量的消耗，也就是电容电压的下降，如图7所示。图中波形的蓝色部分表示节点的初始化带来的电压下降，红色部分代表节点感知和无线数据传输带来的电压下降。从结果可以看出，使用SECE的时候启动时间最快，为2.552 s。使用SSHI时和使用SEH时的启动时间分别为2.938 s和3.106 s。对比他们，SECE的启动时间可以分别缩短13.1%以及17.8%。其中，从SEH的结果看来，节点在运行的过程中出现了一次重启的情况。这是因为在周期性执行任务的过程中，300 ms内存储的能量小于一次感知与无线传输所消耗的能量。因此，在每个周期中电容的电压不断的下降，最后使得电压小于LTC3588-1的关闭电压，nRF52832停止工作。使用SSHI和SCE时没有出现这种情况，它们具有更好的鲁棒性。从这个实验可以看出使用SECE可以有效地减少动能供能的物联网节点的启动时间以及执行工作的鲁棒性。

图7 动能供能物联网节点在SECE，SSHI和SEH下的储能电容波形

5 结论

本研究提出了一种通过合理的接口电路选择来优化动能供能的物联网节点的方法。不同于传统的方法中只关注接口电路的最大功率的原则，本文章还关注了接口电路在不同负载电压值下的功率。结合动能供能的物联网节点的冷启动电压，提出了接口电路选择的原则。最终的实验验证了我们提出的设计原则的可行性与有效性。结果表明，利用这个设计原则，可以缩短节点的启动时间和提高其鲁棒性。