针对能量收集型无线远程传感网络的电源管理设计

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EET 针对能量收集型无线远程传感网络的电源管理设计

John Bazinet ，产品线经理，电源产品

James Noon ，应用工程部门负责人，电源产品

凌力尔特公司

摘要：

随着极低功率传感器、微控制器和射频 (RF) 收发器的易用性和性能的不断提升，采用能量收集技术来专门供电或作为补充供电方式的无线传感器网络越来越接近现实。超低功率无线协议已开始逐步被业界所广泛接纳，而且相关的标准也在积极的制定之中。摆脱了交流电源或电池电源束缚的传感器网络为实现更大的灵活性、更低的维护成本、更高的安全性以及广泛的普及提供了可能性。仅仅几年之前还无法想象的应用如今凭借能量收集技术将有望成为现实。新涌现的电源管理产品能够将各种能量收集换能器 (TEG 、光伏、压电、电磁) 的使用不便、断断续续而且常常微乎其微的输出转换为适合当今电子产品的可用电平。然而，对于这些电源管理器件，需要一种新的规格拟订、分析和设计方法，以充分发挥各换能器元件以及最终由它们供电的传感器网络电子线路的功能。

无线传感器并不是新生事物。如欲通过运用能量收集技术而使其成为半自主型或全自主型器件，则需正确地选择和设计换能器和电源管理器件。图 1 示出了一个典型的无线远程传感器节点。迄今为止，在该系统中缺失的一环一直是电源管理解决方案。可提供功率的换能器使用起来常常极为不便——要么产生一个非常低压的低阻抗输出，要么产生一个非常高压的高阻抗输出。此系统中的各种单元可以进一步细分为功率发生器/调节器 (换能器和电源管理) 和功率耗用部件 (其他所有单元)。简而言之，如果能量收集系统的平均输出功率能力超过了远程传感器电子线路所需的平均功率，则有可能实现一个自主型系统。

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图 1：典型的无线传感器系统

对于任何设计来说，在启动之前开展一次快速可行性分析都是值得的。这甚至连能量收集技术是否切实可行都可迅速地加以确定。第一步是决定所需的测量频度和测量结果发送频度。我们将把此称为测量频率 (F)。接着，我们就能够确定传感器、信号调理、数据转换和处理电路产生期望的数据需要多大的处理功率、以及 RF 收发器功率和传输该数据所需的时间。表 2 给出了常见微控制器和 RF 链路系统的典型功率要求。这些功率要求会因制造商以及特定的应用而有所不同。有许多种可供选择的方案，而且它们可以根据最终应用进行相应的优化。由此我们可以计算出系统占空比 (D) 和平均功率。系统占空比的定义为：[ (测量时间 (Tm) + 处理时间 (Tp) + 发送时间 (Tt)] x 测量频率 (F)。平均功率 (Pa) 就是总功率 (P) x D + 待机功率 (通常小至足以忽略不计)。

表 1：典型能量源及其功率能力 能量收集源

典型功率范围 K 太阳能 (室内/室外) 单体电池

10µW~40mW/cm 20.6～0.8振动能 (压电)

4µW~100uW/cm 20.8～0.9热能 (TEG) 25µW~10mW/cm 20.3～0.5

表 2：微控制器和 RF 链路的典型功率要求

处理电流/睡眠模式 处理器功率

3mA/500nA RF 链路 20~30mA (1~10ms)

举个例子，假设我们需要设计一款自主型室内温度传感器。该传感器将被部署在一座大型办公楼内，通过与近接传感器的耦合将能够检测出室内是否有人员活动并相应地调节温度。在一幢

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大型楼宇内安放此类传感器可以显著地降低每年的供暖和致冷成本。在 3.3V 电压条件下，这些传感器需要 500µA 的电流和 2ms 的时间来测量温度和检测屋内的人员状况。一个低功率微控制器需要另外花费 5ms 的时间来处理该数据。在处理数据时，该微控制器的电流消耗为 3mA (在 3.3V)。最后，RF 链路需要 20mA 电流 (在 3.3V) 和 30ms 时间来发送数据。期望的测量频率为 0.2Hz (即每 5 秒进行一次测量)。

D = (Tm + Tc + Tt) x F = (2ms + 5ms + 30ms) x 0.2Hz = 0.0074

总功率 (P) = (3.3V x 500uA) + (3.3V x .003A) + (3.3V x .03A) = 110.6mW

平均功率 (Pa) = D x P = 0.0074 x 0.1106 = 818µW

Pa (即平均功率) 是关键项，它将告诉我们哪些类型的能量收集换能器 (如果有的话) 会适合该系统。表 1 罗列了一些典型的换能器以及它们所能提供的典型平均功率。用 (K) 标示的竖列所给出的是功率转换常数，它考虑到将换能器能量转换为一个可用电压 (在此场合中为 3.3V) 所需的电源管理模块的类型。理想的功率转换器具有一个 K = 1。K 将因所采用的换能器类型的不同而存在差异。一般来说，K 与换能器的输出电压成比例。由于非常低输出电压换能器 (例如：TEG) 需要一个极高的升压比以及相应的高输入电流，因此其功率转换常数K 往往要比诸如压电元件等非常高输出电压的换能器更低。由上面的例子可见，所需的平均功率 (Pa) 逐渐接近大小合适的压电换能器的功率范围上限，但处于 TEG 和光伏 (PV) 换能器或太阳能电池的功率能力范围之内。

图 2：典型 TEG

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图 3：测量和发送周期中的典型电流脉冲

图 4：测量和发送周期中的 V OUT 纹波

系统环境通常将限定所选择的换能器类型。在我们所举的例子中，我们不可能依赖某种始终可用的光源，因此 PV 换能器并不实用。由于我们已经处于压电换能器所能提供的功率上限，故而我们决定使用一个 TEG (热电发生器)。当暴露于温差环境中时，TEG 将利用塞贝克

(Seebeck) 效应在其输出端上产生一个电压 (见图 2)。为了进一步说明我们的例子，假设选择了一个 50mm 2 TEG 。TEG 的一端将安装至天花板中的 HVAC 管道，另一端则暴露在室温空气中。由于 TEG 的热阻非常低，要在其两端上产生一个合适的温差 (∆T) 常常颇具挑战性，因此在室温侧将采用一个散热器。我们的测量结果表明：在平均室温为 25ºC 的情况下，冬季 (供暖) 中 HVAC 管道表面的平均温度为 38ºC ，而夏季 (致冷) 中则为 12ºC 。经过仔细的测

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