用于無線傳感器的強(qiáng)大能量收集系統(tǒng)的鋰聚合物電池

無線傳感器有一個(gè)新興且潛在的巨大市場(chǎng)。通過他們的 自然，無線傳感器被選擇用于難以接近的地方，或用于應(yīng)用 這需要大量的傳感器，數(shù)量太多，無法輕松硬連線到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。在 在大多數(shù)情況下，這些系統(tǒng)使用原電池是不切實(shí)際的。例如 需要有一個(gè)用于監(jiān)控肉類運(yùn)輸溫度的傳感器 以防篡改方式安裝。或者，安裝在每個(gè)源上的 HVAC 傳感器 空調(diào)空氣分布太分散，無法使用電池。在這些應(yīng)用中， 能量收集可以解決在沒有原電池的情況下提供電力的問題。

僅靠能量收集通常不會(huì) 產(chǎn)生足夠的功率以連續(xù) 運(yùn)行傳感器-變送器 — 能量 收獲可以產(chǎn)生約1mW-10mW， 其中有源傳感器變送器 組合可能需要100mW–250mW。 收集的能量必須在以下情況下儲(chǔ)存 可能，可供傳感器/變送器使用， 必須在占空比下運(yùn)行 不超過能量存儲(chǔ) 系統(tǒng)的功能。同樣， 傳感器/變送器可能需要工作 在沒有收獲能量的時(shí)候。

最后，如果存儲(chǔ)的能量耗盡 并且系統(tǒng)將關(guān)閉， 系統(tǒng)可能需要進(jìn)行內(nèi)務(wù)管理 任務(wù)第一。這可能包括關(guān)機(jī) 消息，或?qū)?a target="_blank">信息存儲(chǔ)在 非易失性存儲(chǔ)器。因此，重要的是 持續(xù)測(cè)量可用能量。

完整的能量收集系統(tǒng)

圖 1 顯示了完整的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 采用 LTC3588-1 能量 收割器和降壓穩(wěn)壓器 IC、兩個(gè) LTC4071 并聯(lián)電池充電器、兩個(gè) 通用電池 GMB301009 8mAh 電池 和模擬傳感器變送器 建模為 12.4mA 負(fù)載，負(fù)載為 1% 占空比。LTC3588-1 包含一個(gè) 極低漏電橋式整流器 輸入為 PZ1 和 PZ2，輸出為 V在和GND。 V在也是輸入功率 用于極低的靜態(tài)電流降壓 調(diào)節(jié)器。降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 穩(wěn)壓器由D1和D0設(shè)定為3.3V。

圖1.完整的基于壓電的能量收集系統(tǒng)獨(dú)立于電網(wǎng)。該設(shè)計(jì)使用薄膜電池為無線傳感器發(fā)射器收集壓電收集的能量，該發(fā)射器在1%占空比下工作。

LTC3588 由一個(gè)高級(jí) Cerametrics Incorporated PFCB-W14 壓電換能器，能夠 產(chǎn)生最大12mW。 在我們的實(shí)施中，PFCB-W14 提供約2mW的功率。

LTC?4071 是一款并聯(lián)電池充電器 具有可編程浮動(dòng)電壓和 溫度補(bǔ)償。浮子 電壓設(shè)置為4.1V，具有容差 浮動(dòng)電壓為 ±1%，產(chǎn)生 最大 4.14V，安全低于 電池上允許的最大浮動(dòng)。 LTC4071 還可檢測(cè)溫度 電池通過NTC信號(hào)和 降低高溫下的浮動(dòng)電壓 以最大限度地延長(zhǎng)電池使用壽命。

LTC4071 能夠分流 內(nèi)部 50mA。然而 當(dāng)電池低于浮子時(shí) 電壓，LTC4071 僅消耗 來自電池的電流~600nA。

通用電池GMB301009電池 容量為8mAh和一個(gè) 內(nèi)部串聯(lián)電阻為~10Ω。

模擬的傳感器變送器是 基于微芯片 PIC18LF14K22 和 MRF24J40MA 2.4GHz IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 802.15.4 無線電。收音機(jī)抽取 發(fā)射端為23mA，接收端為18mA。 該模型將其表示為12.4mA， 0.98% 占空比 （2ms/204ms） 負(fù)載， 設(shè)置自定時(shí)數(shù)字計(jì)時(shí)器和 一個(gè)開關(guān) 267Ω 電阻的 MOSFET

操作模式

該系統(tǒng)有兩種操作模式： 充電-發(fā)送和放電-發(fā)送。 在充電-發(fā)送模式下， 電池充電時(shí) 傳感器變送器呈現(xiàn) 0.5% 負(fù)荷。放電時(shí)，傳感器變送器 正在運(yùn)行，但沒有能量 正在從PFCB-W14中收獲。

充電發(fā)送

當(dāng)PFCB-W14處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可提供 平均功率約為 9.2V × 180μA ≈ 1.7mW?？捎玫?電流必須為電池充電，并且 操作降壓穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng) 模擬傳感器變送器。活躍的 傳感器-變送器吸收 12.4mA 電流× 3.3V ≈ 41mW，大約1%的時(shí)間，或大約 平均0.41mW，留下一些電流 為電池充電。考慮到 LTC85降壓型穩(wěn)壓器的 3588% 效率， 假設(shè)平均值為 V在9.2V（參見 圖 2），降壓靜態(tài)電流 8μA，平均消耗的電流 不給電池充電的系統(tǒng)是：

圖2.使用傳感器-變送器負(fù)載充電。

收集的能量可以驅(qū)動(dòng)傳感器變送器 占空比為 0.5% 時(shí)， 剩余約 120μA 電流為電池充電。 GMB301009 電池具有 容量為8mAh，所以他們完全 在大約 75 小時(shí)內(nèi)從空充電。

放電-發(fā)送

當(dāng) PFCB-W14 無法輸送時(shí) 功率，電壓在 V在下降到 大約：

所以反射負(fù)載電流計(jì)算 更改為：

降壓穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流 更高，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器 必須更頻繁地切換以調(diào)節(jié)從 7.5V與9.2V。78μA，無能量 收獲后，電池放電 約115小時(shí)。這表明 充電存儲(chǔ)容量為>8.95mAh。 這些電池當(dāng)全新的可以 多存儲(chǔ)約12%的電量 比評(píng)級(jí)。

一個(gè)更嚴(yán)重的問題是會(huì)發(fā)生什么 當(dāng)電池完全放電時(shí)。如果 在充電狀態(tài)后消耗電流 達(dá)到零，電池電壓下降 低于2.1V，電池永久 破。因此，應(yīng)用程序必須 確保電池電壓永不下降 低于此限制。因此，電池 截止電壓設(shè)置為 2.7V 或 3.2V 至 確保電池中保留一些能量 斷開電路接合后。

只需停止變送器或 斷開負(fù)載不會(huì)保護(hù) 電池，如 LTC4071 所消耗 靜態(tài)電流近似值 600nA。雖然這個(gè)值極低， 總負(fù)載，包括 LTC3588-1， 接近 2μA。電池完全放電 只能提供大約 電壓下降前 100μA 足以損壞電池。

斷開電路是必要的，以確保 電池不會(huì)在 合理的時(shí)間。The LTC4071 提供內(nèi)部低電量斷接 電路。這個(gè)斷開電路是 測(cè)量可提供 <2nA 的電池負(fù)載 在室溫下激活時(shí)。 這種泄漏通常由 印刷電路板泄漏。僅 2nA 電池 漏電流，電池可以存活 斷開連接 50，000 小時(shí) 電池?fù)p壞前的狀態(tài)。

在圖3中，第二節(jié)電池 （BAT2） 被認(rèn)為斷開連接 50 小時(shí) 在BAT1之后由于2μA負(fù)載。

圖3.電池欠壓斷開時(shí)放電。

測(cè)量結(jié)果

圖1所示系統(tǒng)為 在兩種操作模式下測(cè)量 放電-發(fā)送（圖 3）和 充電發(fā)送（圖4）。

圖4.充電時(shí)電池?cái)嚅_恢復(fù)。

放電-發(fā)送

在圖 3 中，兩個(gè)電池 BAT1、BAT2 和 VBUCK 的電壓與時(shí)間的關(guān)系圖，電池提供所有系統(tǒng)能量，沒有來自 PFCB-W14 壓電。

電池緩慢放電，直到 BAT1 激活其 LTC4071 的 LBO 門限，然后斷接電路激活 BAT1 并將其與除 LTC4071 本身之外的所有電路斷開。這會(huì)導(dǎo)致 LTC3588 的 VIN 處的電壓降至穩(wěn)壓器的 UVLO 以下，并且穩(wěn)壓器關(guān)斷。

BAT2 上的負(fù)載是 LTC4071 和 LTC3588 的 2μA 靜態(tài)電流。這個(gè)小負(fù)載使 BAT2 緩慢放電，直到 LTC4071 的低電池?cái)嘟颖患せ畈⑶?BAT2 被斷開。

充電發(fā)送

當(dāng) PFCB-W14 再次開始向系統(tǒng)供電時(shí)，VIN 上升至 7V，這會(huì)正向偏置 LTC4071 中斷接 FET 的體二極管。這將為電池充電，直到達(dá)到重新連接閾值，從而允許重新連接電池 BAT1 和 BAT2。如圖4所示，VIN處的電壓驟降至電池組電壓。

由于 VIN 上的電壓現(xiàn)在為 VBAT1 + VBAT2 + （180μA × 15k） = 6.2V，因此 LTC3588 上的降壓型穩(wěn)壓器重新啟動(dòng)，3.3V 再次可用。

結(jié)論

通過一些易于使用的組件， 可以構(gòu)建一個(gè)完整的緊湊型 能量收集動(dòng)力子系統(tǒng) 用于無線傳感器發(fā)射器。 在這個(gè)特殊的系統(tǒng)中，壓電 傳感器間歇性供應(yīng) 電力，而兩塊電池儲(chǔ)存能量 供傳感器變送器使用。一 集成隔離開關(guān)保護(hù) 電池過放電。

該系統(tǒng)可以為電池充滿電 在 75 小時(shí)內(nèi)，即使在操作 占空比為 0.5% 的傳感器變送器。

電池允許系統(tǒng)繼續(xù) 操作傳感器變送器 在 0.5% 占空比下持續(xù) 115 小時(shí)后 PFCB-W15 停止供電。如果 需要更長(zhǎng)的電池工作時(shí)間， 傳感器-變送器占空比可以是 減少以適應(yīng)這種需求。

審核編輯：郭婷