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無線感測器的強固型能量採集系統

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1# 大 中 小 發表於 2011-11-3 15:10  只看該作者

無線感測器的強固型能量採集系統

[size=+0]2011年08月01日 星期一
作者： Oscar Freitas
凌力爾特公司高級應用工程師[/td][/tr]
新興無線感測器憑藉其特殊性而成為理想選擇，因此擁有規模龐大的潛在市場。但是在大多數場合中，利用主要電池來運行對於此類系統而言是不切實際的，而能量採集技術能夠在不採用主要電池的情況下解決供電問題。

單靠能量採集常常無法產生連續運行感測器-發射器所需的足夠功率——能量採集可產生約1mW~10mW的功率，而主動感測器-發射器組合的功率需求則有可能達到 100mW~250mW。在可能的情況下必須將採集的能量儲存起來以隨時供感測器/發射器使用，而感測器/發射器的工作週期比一定不得超過系統的能量存儲能力。同樣，感測器/發射器有可能需要在未採集到能量時運作。

最後，倘若儲存的能量耗盡而系統即將停機，則系統或許必需先執行內部處理工作。這可能包括一條停機消息、或者將資訊儲存於非揮發性記憶體中。因此，應當連續不斷地測量可用的能量，這一點很重要。

完整的能量採集系統
如圖一所示為一款完整的系統實現方案，此方案採用了一個LTC3588-1能量採集器和降壓穩壓器IC、兩個LTC4071並聯電池充電器、兩個GM BATTERY GMB301009 8mAh電池以及一個模擬感測器-發射器(被模擬為一個具1%工作週期比的12.4mA負載)。LTC3588-1包含一個具非常低洩漏的橋式整流器，其輸入位於PZ1和PZ2，而輸出則位於VIN和GND。VIN同時還是具有非常低靜態電流的降壓穩壓器的輸入電源。降壓穩壓器的輸出電壓由D1和D0設定為3.3V。
《圖一 基於壓電元件的完整能量採集系統不受電網的限制。該設計採用薄膜電池來積聚壓電元件所採集的能量，並提供給一個以 1% 工作週期比運作的無線感測器發射器。》


LTC3588透過一個Advanced Cerametrics Incorporated PFCB-W14壓電式感測器來驅動，它能夠產生12mW的最大功率。在我們的實現方案中，PFCB-W14提供了大約 2mW的功率。

LTC4071是一款具可編程浮置電壓和溫度補償功能的並聯電池充電器。浮置電壓設定為 4.1V，其容差為±1%，因而產生了一個4.14V的最大值—安全地低於電池容許的最大浮動電壓。另外，LTC4071還能通過NTC訊號檢測電池的溫度，並在電池溫度很高的情況下降低浮置電壓以最大限度地延長電池的工作壽命。

LTC4071能夠在內部提供50mA的並聯電流。然而，當電池低於浮動電壓時，LTC4071將僅從電池汲取約600nA的電流。
GM BATTERY GMB301009電池具有8mAh的容量和10Ω左右的內部串聯電阻。





模擬感測器-發射器的建模採用了Microchip PIC18LF14K22和MRF24J40MA 2.4GHz IEEE 802.15.4射頻收發器模組。該射頻晶片在發送和接收模式中的汲取電流分別為23mA和18mA。此模型將之表示為一個12.4mA、0.98%工作週期比(2ms/204ms)負載，並利用一個自計時數字計時器和一個負責267Ω電阻器開關切換的MOSFET來設定。


操作模式
該系統具有兩種操作模式：充電-發送和放電-發送。在充電-發送模式中，電池被充電而感測器-發射器提供一個0.5%工作週期比負載。在放電時，感測器/發射器處於運作狀態，但此時並沒有從PFCB-W14採集能量。
充電-發送 (Charging-Sending)
當處於運行狀態時，PFCB-W14 輸送的平均功率約為9.2V×180µA≈1.7mW。可用的電流必須對電池進行充電並負責運作用於驅動模擬感測器-發射器的降壓穩壓器。運作中的感測器 -發射器在大約1%的時間裏汲取12.4mA × 3.3V ≈ 41mW的功率 (即0.41mW左右的平均功率)，因而留出了一些電流用於給電池充電。考慮到LTC3588降壓穩壓器的效率為85%，當平均VIN為9.2V(見圖三)、降壓穩壓器靜態電流為8μA時，在未對電池充電情況下系統所消耗的平均電流為圖二


《圖二 未對電池充電情況下系統所消耗的平均電流》

《圖三 具感測器-發射器負載時的充電》
採集的能量能夠以0.5%的工作週期驅動感測器-發射器，而留出約120μA的電流供電池充電之用。GMB301009電池的容量為8mAh，因此它們可在75小時左右的時間裏充飽電。




放電-發送 (Discharging-Sending)
當 PFCB-W14 未輸送功率時，VIN 上的電壓下降至如圖四
《圖四》
於是，反射負載電流計算公式變為如圖五


《圖五》


降壓型穩壓器的靜態電流較高，這是因為它必須更加頻繁地開關以從7.5V與 9.2V進行調節。在78µA靜態電流條件下，如果沒有採集能量，則電池的放電時間大約為115小時。這表明電池的電荷儲存容量>8.95mAh。這些電池在全新時所存儲的電荷可比額定值高出12%。


一個更嚴重的問題是：當電池完全放電時會發生什麼問題？假如在電池的充電狀態(State of charge，SOC) 達到零之後繼續從電池吸收電流且電池電壓下降至2.1V以下，則電池將遭受永久性的損壞。所以，應用必須確保電池電壓絕對不能降至該門檻以下。為此，電池截止電壓被設定為2.7V或3.2V，以保證在斷接電路投入使用之後電池中可保留一些能量。

僅僅停止發射器的運作或將負載斷接將無法起到保護電池的作用，因為 LTC4071吸收約600nA的靜態電流。雖然這一靜態電流非常之低，但包括LTC3588-1在內的總負載則接近2µA。一個完全放電的電池在其電壓下降至足以損壞電池之前將只能提供約100µA的電流。

需要一個斷接電路，以確保電池在一段合理的時間裏不致於發生放電。 LTC4071提供了一個內部低電池電量斷接電路。經測量，在室溫條件下，該斷接電路在啟動時將產生<2nA 的電池負載。這一漏電流通常受PCB漏電流的支配。當電池漏電流僅為2nA時，在其受損之前，電池可在斷接狀態中工作50,000小時。

在圖六中可見，由於2µA負載的原因，BAT2在BAT1之後斷接50小時。


《圖六 採用電池欠壓斷接時的放電情況》


測量結果
圖一所示的系統在“放電-發送”(圖六)和“充電-發送”(圖七)這兩種操作模式中均進行了測量。

《圖七 電池斷接恢復充電》


放電-發送
在圖四中，我們提供了當由電池來提供所有系統能量時(PFCB-W14壓電式感測器未提供任何能量)兩個電池BAT1、BAT2的電壓以及VBUCK隨時間變化的情況。
電池緩慢放電直到BAT2觸發LTC4071的LBO門檻為止，隨後斷接電路啟動並使BAT2與所有的電路(U5除外)斷接。這將導致LTC3588的VIN引腳電壓降至穩壓器的UVLO以下，而穩壓器將關斷。
BAT1上的負載是LTC4071和LTC3588的2µA靜態電流。這個小負載使BAT1緩慢地放電，直到LTC4071的低電池電量斷接功能電路啟動為止，BAT1隨即被斷接。

充電-發送
當PFCB-W14再次開始向系統輸送功率時，VIN將上升至7V，從而為LTC4071中斷接FET的體二極體施加正向偏置。這將對電池充電，直至達到重接門檻為止，進而允許重新連接電池BAT1和BAT2。觀察圖五可以發現，這將表現為VIN上的電壓迅速下降至電池組電壓。
由於VIN上的電壓現為VBAT1 + VBAT2 + (180µA x 15k) = 6.2V，因此LTC3588上的降壓型穩壓器將重新起動，並可再次提供3.3V電壓。

結論
只需借助少量易於使用的元件，即可構建一種適合無線感測器-發射器的完整和精簡型能量採集電源子系統。在此特殊的系統中，由一個壓電式感測器提供間歇式電源，而兩個電池則負責儲存能量以供感測器-發射器之用。一個整合型斷接開關用於保護電池免遭過度放電的損壞。

該系統能夠在75小時內完成電池的滿充電，即使以0.5%的工作週期比運作感測器-發射器的情況下也不例外。PFCB-W15停止供電之後，電池將允許系統以0.5%的工作週期比持續運作感測器-發射器達115小時。如果需要較長的電池工作時間，則可降低感測器-發射器工作週期比來滿足這一要求。

新興無線感測器擁有規模龐大的潛在市場，在人們難以接近的地方、或者需要使用大量感測器的應用中，無線感測器均憑藉其特殊性而成為理想選擇。在大多數場合中，利用主要電池來運行對於此類系統而言是不切實際的。例如：肉類裝運過程中負責監視其溫度的感測器將必需以一種防損害的方式來進行安裝。又如：安裝於每種已調節空氣源上的 HVAC 感測器將因過於分散而可能使用電池。在這些應用中，能量採集技術能夠在不採用主要電池的情況下解決供電問題。

單靠能量採集常常無法產生連續運行感測器-發射器所需的足夠功率——能量採集可產生約1mW~10mW的功率，而主動感測器-發射器組合的功率需求則有可能達到 100mW~250mW。在可能的情況下必須將採集的能量儲存起來以隨時供感測器/發射器使用，而感測器/發射器的工作週期比一定不得超過系統的能量存儲能力。同樣，感測器/發射器有可能需要在未採集到能量時運作。

最後，倘若儲存的能量耗盡而系統即將停機，則系統或許必需先執行內部處理工作。這可能包括一條停機消息、或者將資訊儲存於非揮發性記憶體中。因此，應當連續不斷地測量可用的能量，這一點很重要。
完整的能量採集系統
如圖一所示為一款完整的系統實現方案，此方案採用了一個LTC3588-1能量採集器和降壓穩壓器IC、兩個LTC4071並聯電池充電器、兩個GM BATTERY GMB301009 8mAh電池以及一個模擬感測器-發射器(被模擬為一個具1%工作週期比的12.4mA負載)。LTC3588-1包含一個具非常低洩漏的橋式整流器，其輸入位於PZ1和PZ2，而輸出則位於VIN和GND。VIN同時還是具有非常低靜態電流的降壓穩壓器的輸入電源。降壓穩壓器的輸出電壓由D1和D0設定為3.3V。

《圖一 基於壓電元件的完整能量採集系統不受電網的限制。該設計採用薄膜電池來積聚壓電元件所採集的能量，並提供給一個以 1% 工作週期比運作的無線感測器發射器。》


LTC3588透過一個Advanced Cerametrics Incorporated PFCB-W14壓電式感測器來驅動，它能夠產生12mW的最大功率。在我們的實現方案中，PFCB-W14提供了大約 2mW的功率。

LTC4071是一款具可編程浮置電壓和溫度補償功能的並聯電池充電器。浮置電壓設定為 4.1V，其容差為±1%，因而產生了一個4.14V的最大值—安全地低於電池容許的最大浮動電壓。另外，LTC4071還能通過NTC訊號檢測電池的溫度，並在電池溫度很高的情況下降低浮置電壓以最大限度地延長電池的工作壽命。

LTC4071能夠在內部提供50mA的並聯電流。然而，當電池低於浮動電壓時，LTC4071將僅從電池汲取約600nA的電流。

GM BATTERY GMB301009電池具有8mAh的容量和10Ω左右的內部串聯電阻。
模擬感測器-發射器的建模採用了Microchip PIC18LF14K22和MRF24J40MA 2.4GHz IEEE 802.15.4射頻收發器模組。該射頻晶片在發送和接收模式中的汲取電流分別為23mA和18mA。此模型將之表示為一個12.4mA、0.98%工作週期比(2ms/204ms)負載，並利用一個自計時數字計時器和一個負責267Ω電阻器開關切換的MOSFET來設定。


操作模式
該系統具有兩種操作模式：充電-發送和放電-發送。在充電-發送模式中，電池被充電而感測器-發射器提供一個0.5%工作週期比負載。在放電時，感測器/發射器處於運作狀態，但此時並沒有從PFCB-W14採集能量。
充電-發送 (Charging-Sending)
當處於運行狀態時，PFCB-W14 輸送的平均功率約為9.2V×180µA≈1.7mW。可用的電流必須對電池進行充電並負責運作用於驅動模擬感測器-發射器的降壓穩壓器。運作中的感測器 -發射器在大約1%的時間裏汲取12.4mA × 3.3V ≈ 41mW的功率 (即0.41mW左右的平均功率)，因而留出了一些電流用於給電池充電。考慮到LTC3588降壓穩壓器的效率為85%，當平均VIN為9.2V(見圖三)、降壓穩壓器靜態電流為8μA時，在未對電池充電情況下系統所消耗的平均電流為圖二
《圖二 未對電池充電情況下系統所消耗的平均電流》

《圖三 具感測器-發射器負載時的充電》
採集的能量能夠以0.5%的工作週期驅動感測器-發射器，而留出約120μA的電流供電池充電之用。GMB301009電池的容量為8mAh，因此它們可在75小時左右的時間裏充飽電。


放電-發送 (Discharging-Sending)
當 PFCB-W14 未輸送功率時，VIN 上的電壓下降至如圖四
《圖四》
於是，反射負載電流計算公式變為如圖五


《圖五》


降壓型穩壓器的靜態電流較高，這是因為它必須更加頻繁地開關以從7.5V與 9.2V進行調節。在78µA靜態電流條件下，如果沒有採集能量，則電池的放電時間大約為115小時。這表明電池的電荷儲存容量>8.95mAh。這些電池在全新時所存儲的電荷可比額定值高出12%。
一個更嚴重的問題是：當電池完全放電時會發生什麼問題？假如在電池的充電狀態(State of charge，SOC) 達到零之後繼續從電池吸收電流且電池電壓下降至2.1V以下，則電池將遭受永久性的損壞。所以，應用必須確保電池電壓絕對不能降至該門檻以下。為此，電池截止電壓被設定為2.7V或3.2V，以保證在斷接電路投入使用之後電池中可保留一些能量。
僅僅停止發射器的運作或將負載斷接將無法起到保護電池的作用，因為 LTC4071吸收約600nA的靜態電流。雖然這一靜態電流非常之低，但包括LTC3588-1在內的總負載則接近2µA。一個完全放電的電池在其電壓下降至足以損壞電池之前將只能提供約100µA的電流。
需要一個斷接電路，以確保電池在一段合理的時間裏不致於發生放電。 LTC4071提供了一個內部低電池電量斷接電路。經測量，在室溫條件下，該斷接電路在啟動時將產生<2nA 的電池負載。這一漏電流通常受PCB漏電流的支配。當電池漏電流僅為2nA時，在其受損之前，電池可在斷接狀態中工作50,000小時。


在圖六中可見，由於2µA負載的原因，BAT2在BAT1之後斷接50小時。


《圖六 採用電池欠壓斷接時的放電情況》


測量結果
圖一所示的系統在“放電-發送”(圖六)和“充電-發送”(圖七)這兩種操作模式中均進行了測量。

《圖七 電池斷接恢復充電》


放電-發送
在圖四中，我們提供了當由電池來提供所有系統能量時(PFCB-W14壓電式感測器未提供任何能量)兩個電池BAT1、BAT2的電壓以及VBUCK隨時間變化的情況。
電池緩慢放電直到BAT2觸發LTC4071的LBO門檻為止，隨後斷接電路啟動並使BAT2與所有的電路(U5除外)斷接。這將導致BAT1上的負載是LTC4071和LTC3588的2µA靜態電流。這個小負載使BAT1緩慢地放電，直到LTC4071的低電池電量斷接功能電路啟動為止，BAT1隨即被斷接。LTC3588的VIN引腳電壓降至穩壓器的UVLO以下，而穩壓器將關斷。

充電-發送
當PFCB-W14再次開始向系統輸送功率時，VIN將上升至7V，從而為LTC4071中斷接FET的體二極體施加正向偏置。這將對電池充電，直至達到重接門檻為止，進而允許重新連接電池BAT1和BAT2。觀察圖五可以發現，這將表現為VIN上的電壓迅速下降至電池組電壓。
由於VIN上的電壓現為VBAT1 + VBAT2 + (180µA x 15k) = 6.2V，因此LTC3588上的降壓型穩壓器將重新起動，並可再次提供3.3V電壓。

結論
只需借助少量易於使用的元件，即可構建一種適合無線感測器-發射器的完整和精簡型能量採集電源子系統。在此特殊的系統中，由一個壓電式感測器提供間歇式電源，而兩個電池則負責儲存能量以供感測器-發射器之用。一個整合型斷接開關用於保護電池免遭過度放電的損壞。

該系統能夠在75小時內完成電池的滿充電，即使以0.5%的工作週期比運作感測器-發射器的情況下也不例外。PFCB-W15停止供電之後，電池將允許系統以0.5%的工作週期比持續運作感測器-發射器達115小時。如果需要較長的電池工作時間，則可降低感測器-發射器工作週期比來滿足這一要求。

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