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真正摆脱电网的束缚面向无线传感器的坚固型能量收集系统

发布时间:2020-07-21 18:18:01 阅读: 来源:热电阻厂家

无线传感器拥有一个新兴和规模巨大的潜在市场。在人们难以接近的地方、或者那些需要使用大量传感器 (由于传感器数目过于庞大而难以轻松实现至数据网络的硬连接) 的应用中,无线传感器均凭借其与众不同的特性而成为合适之选。在大多数场合中,利用主要电池来运行对于此类系统而言是不现实的。例如:肉类装运过程中负责监视其温度的传感器将必需采用一种防损害的方式来进行安装。又如:安装于每种已调节空气源上的 HVAC 传感器将由于过于分散而可能使用电池。在这些应用中,能量收集技术能够在不采用主要电池的情况下解决供电问题。 单靠能量收集常常无法产生连续运行传感器-发送器所需的足够功率——能量收集可产生约 1mW~10mW 的功率,而有源传感器-发送器组合的功率需求则有可能达到 100mW~250mW。在可能的情况下必须将收集的能量存储起来以随时供传感器/发送器使用,而传感器/发送器的工作占空比一定不得超过系统的能量存储能力。同样,传感器/发送器有可能需要在未收集到能量的时候运作。 最后,倘若存储的能量耗尽而系统即将停机,则系统或许必需首先执行内务处理工作。这可能包括一条停机消息、或者将信息存储于非易失性存储器中。因此,应当连续不断地测量可用的能量,这一点很重要。

本文引用地址:完整的能量收集系统 图 1 示出了一款完整的系统实现方案,此方案采用了一个 LTC3588-1 能量收集器和降压型稳压器 IC、两个 LTC4071 并联电池充电器、两个GM BATTERY GMB301009 8mAh电池以及一个仿真传感器-发送器 (被模拟为一个具 1% 占空比的 12.4mA 负载)。 LTC3588-1 包含一个具非常低泄漏的桥式整流器,其输入位于 PZ1 和 PZ2,而输出则位于 VIN 和 GND。VIN 同时还是具有非常低静态电流的降压型稳压器的输入电源。降压型稳压器的输出电压由 D1 和 D0 设定为 3.3V。

图 1:基于压电元件的完整能量收集系统不受电网的限制。该设计采用薄膜电池来积聚压电元件所收集的能量,并提供给一个以 1%占空比运作的无线传感器发送器。

LTC3588 由一个 Advanced Cerametrics Incorporated PFCB-W14 压电式传感器来驱动,它能够产生 12mW 的最大功率。在我们的实现方案中,PFCB-W14 提供了大约 2mW 的功率。 LTC4071 是一款具可编程浮置电压和温度补偿功能的并联电池充电器。浮置电压设定为 4.1V,其容差为 ±1%,因而产生了一个 4.14V 的最大值 —— 安全地低于电池容许的最大浮置电压。另外,LTC4071 还能通过 NTC 信号检测电池的温度,并在电池温度很高的情况下降低浮置电压以最大限度地延长电池的工作寿命。 LTC4071 能够在内部提供 50mA 的并联电流。然而,当电池低于浮置电压时,LTC4071 将仅从电池吸收约 600nA 的电流。 GM BATTERY GMB301009电池具有 8mAh 的容量和 10Ω 左右的内部串联电阻。 仿真传感器-发送器的建模采用了 Microchip PIC18LF14K22 和 MRF24J40MA 2.4GHz IEEE 802.15.4 射频收发器模块。该射频芯片在发送和接收模式中的吸收电流分别为 23mA 和 18mA。此模型将之表示为一个 12.4mA、0.98% 占空比 (2ms/204ms) 负载,并利用一个自计时数字定时器和一个负责 267Ω 电阻器开关切换的 MOSFET 来设定。

操作模式 该系统具有两种操作模式:充电-发送和放电-发送。在充电-发送模式中,电池被充电而传感器-发送器提供一个 0.5% 占空比负载。在放电时,传感器-发送器处于运作状态,但此时并没有从 PFCB-W14 收集能量。

充电-发送 (Charging-Sending) 当处于运行状态时,PFCB-W14 输送的平均功率约为 9.2V × 180µA ≈ 1.7mW。可用的电流必须对电池进行充电并负责运作用于驱动仿真传感器-发送器的降压型稳压器。运行中的传感器-发送器在大约 1% 的时间里吸取 12.4mA × 3.3V ≈ 41mW 的功率 (即 0.41mW 左右的平均功率),因而留出了一些电流用于给电池充电。考虑到 LTC3588 降压型稳压器的效率为 85%,当平均 VIN 为 9.2V (见图 2)、降压型稳压器静态电流为 8μA 时,在未对电池充电情况下系统所消耗的平均电流为:

图 2:具传感器-发送器负载时的充电

收集的能量能够以 0.5% 的占空比驱动传感器-发送器,而留出约 120μA 的电流供电池充电之用。GMB301009 电池的容量为 8mAh,因此它们可在 75 小时左右的时间里充满电。

放电-发送 (Discharging-Sending) 当 PFCB-W14 未输送功率时,VIN 上的电压下降至大约:

于是,反射负载电流计算公式变为:

降压型稳压器的静态电流较高,这是因为它必须更加频繁地开关以从 7.5V 与 9.2V 进行调节。在 78µA 静态电流条件下,如果没有收集能量,则电池的放电时间大约为 115 小时。这表明电池的电荷存储容量 >8.95mAh。这些电池在全新时所存储的电荷可比额定值高出 12%。

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