本文提出了一套微型溫差發(fā)電器供給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以微型溫差發(fā)電器作為能量源，以德州儀器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作為DC-DC升壓變換器實(shí)現(xiàn)了可以從低至80mV的能量源采集能量，并利用外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)能量源的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，并結(jié)合能量緩沖器在必要時(shí)存儲(chǔ)能量，然后通過MIC841N雙電壓比較器和TPS78001超低壓差線性穩(wěn)壓器，實(shí)現(xiàn)了微型溫差能量的有效采集和利用。該系統(tǒng)通過高效的能量收集和有效的能量管理實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能，成為了真正的能量自供給無線傳感器系統(tǒng)，同時(shí)也順應(yīng)了現(xiàn)在我國(guó)通信行業(yè)綠色無線電的發(fā)展要求。

　　1. 基于微型溫差發(fā)電器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)架構(gòu)模型

　　為了滿足微型溫差發(fā)電器供給的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求，本文設(shè)計(jì)了如下的無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射端的系統(tǒng)架構(gòu)，如下圖1所示。

圖 1 微型溫差發(fā)電器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)射端架構(gòu)

　　由圖1可知，微型溫差發(fā)電器供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射端結(jié)構(gòu)由溫差電能收集器、具有MPPT功能的升壓電路、能量緩沖器和系統(tǒng)負(fù)載（無線傳感器節(jié)點(diǎn)）組成。溫差電能收集器是由熱電轉(zhuǎn)換芯片組成的，可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)所的大小和所需電能的多少?zèng)Q定熱電轉(zhuǎn)換芯片表面積大小和疊加的層數(shù)，用以滿足不同的應(yīng)用環(huán)境。

　　電源管理集成電路主要是由最大功率點(diǎn)跟蹤模塊（MPPT）、電能輸出接口、充電器（DC-DC升壓模塊）、能量緩沖器構(gòu)成。其中能量緩沖器電路由儲(chǔ)能電容、比較器電路和穩(wěn)壓器電路構(gòu)成。負(fù)載主要包括處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并通過無線發(fā)射模塊發(fā)射出去。

　　由圖1可知，在微型溫差發(fā)電器供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，電源能量管理電路（Power Management Integrated Circuit, PMIC）是極其重要的一環(huán)，它所包含的電路功能多而重要，是微型溫差發(fā)電器能量采集系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

　　2. 電源能量管理控制電路（PMIC）設(shè)計(jì)方案

　　2.1 電源能量管理控制電路（PMIC）整體設(shè)計(jì)方案

　　在本文中電源管理控制電路主要包含了如下功能，最大功率點(diǎn)跟蹤、DC-DC升壓轉(zhuǎn)換和能量緩沖。

　　如圖2所示，基于微型溫差發(fā)電器的能量自供給無線傳感器系統(tǒng)的能量采集和管電路主要是由芯片BQ25504、MIC841N、TPS78001和儲(chǔ)能電容器以及它們相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成。超低電壓升壓轉(zhuǎn)換和管理芯片BQ25504，低功耗多功能電壓比較器MIC841N和線性穩(wěn)壓輸出芯片TPS78001一起構(gòu)成了微型溫差發(fā)電器供給的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的溫差能量采集和管理使用的多重功能。

圖2 系統(tǒng)溫差能量采集和應(yīng)用電路原理圖

　　在本文中，BQ25504電源管理芯片主要實(shí)現(xiàn)了從熱能轉(zhuǎn)換模塊中以超低功耗汲取能量。BQ25504是一個(gè)16個(gè)引腳的、3mm*3mm分裝的高效率能量管理芯片，16個(gè)引腳依次逆時(shí)針分布，本文通過合理地應(yīng)用這些引腳的相應(yīng)的功能，實(shí)現(xiàn)了微型能量的高效管理。除此之外，該芯片的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是擁有超低的工作啟動(dòng)電壓，這使得它可以在穩(wěn)定工作時(shí)從低至80mv的能量源提取能量，并對(duì)超低電壓進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換，以便后續(xù)電路進(jìn)行存儲(chǔ)使用。在本文電路中，搭配合適的外圍電路實(shí)現(xiàn)了從超低功率能量源采集電能的最大功率點(diǎn)跟蹤，這對(duì)于微型溫差能量自供給系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。同時(shí)通過外圍電路設(shè)定過壓和欠壓的電路保護(hù)，保證芯片的穩(wěn)定工作。

　　MIC841N是一個(gè)超低功耗的具有內(nèi)部參考電壓的雙電壓比較器。在本文中通過設(shè)置其電壓比較的上限和下限來驅(qū)動(dòng)后面的線性穩(wěn)壓器。其工作的特點(diǎn)是，通過不斷的檢測(cè)引腳VDD上的電壓，并與引腳LTH和HTH上設(shè)定的工作電壓進(jìn)行比較，從而確定輸出的電壓（即引腳OUT的輸出信號(hào)）的高低，進(jìn)而控制穩(wěn)壓器TPS78001的工作狀態(tài)。

　　TPS78001是TI生產(chǎn)的超低功耗穩(wěn)壓器，它可以實(shí)現(xiàn)電路輸出電壓的穩(wěn)壓作用，通過設(shè)置相應(yīng)的外圍電路的電阻參數(shù)，可以使輸出得到一個(gè)穩(wěn)定的電壓，這樣就可以穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)后面的無線傳感器發(fā)射節(jié)點(diǎn)。

　　為了更好的對(duì)圖2設(shè)計(jì)電路進(jìn)行解釋說明，下面對(duì)上述電路圖的各個(gè)模塊包含的芯片和相關(guān)電子元件，以及工作方式和功能進(jìn)行詳細(xì)的描述。

　　圖2中的電路是微型溫差發(fā)電器自供電系統(tǒng)的總體電路圖，根據(jù)實(shí)際電路的作用可將其劃分為三個(gè)電路，在此以電路A、B和C來代替。

　　電路A是以BQ25504芯片為核心的具有MPPT功能的DC-DC升壓變換器電路以及能量存儲(chǔ)電路；電路B是以MIC841N芯片為核心的雙電壓比較器電路；電路C是以TPS78001芯片為核心的穩(wěn)壓器輸出電路。
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