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微型温差电池的无线传感器节点自供电系统设计

赵耀?? 侯春萍?? 由磊?? 天津大学 单片机与嵌入式系统应用?? 2015年06月08日 ?? 收藏0

2.4 TPS78001为核心的储能电容器放电稳压电路设计

在实际的应用中,储能电容器这种电能存储设备两端的电压会随着放电时间的延长逐渐下降。在本文研究的实例中,微型温差发电器采集到的能量很有限,而后续的无线射频发射模块需要工作在一定的电压范围内,如果任由储能电容器自由放电,那么无线射频发射模块只会工作很短时间,其他时间电容器的电压都不够无线射频发射模块使用,这部分电能就会被浪费掉,为了解决这个问题,必须需要添加一个受控的稳压器来使储能电容器的放电电压稳定在一个可以使无线射频发射模块工作电压值。

本文采用了TPS78001芯片作为稳压输出设备。如图6所示为TPS78001的工作参考电路图。

首先按照图6连接电路图。IN端接储能电容器的正极;EN使能端接MIC841N的OUT端;OUT端和FB端之间接电阻R5;FB端接R6然后接地;OUT端输出一个稳定的电压,可设置,在本文中为3V,供给后面的无线发射模块使用。

图6  电路C稳压器电路原理图
图6 电路C稳压器电路原理图

然后根据以下方法确定外围电阻的阻值。

TPS78001的输出电压可以通过设定电阻R1和R2的值稳定在1.2V-5.1V之间的任何一个值。Vout和VFB的关系如方程(7)所示。

TPS78001为核心的储能电容器放电稳压电路设计(7)

VFB是一个内部设定的参考电压,它的值为恒定的1.216V,而Vout需要稳定在3V左右,因此可得两个电阻之间的关系。本文在实际应用中设定R6=1MΩ,因此TPS78001为核心的储能电容器放电稳压电路设计

3. 电路整体工作方式和测试

结合图2的系统整体原理电路图,本文电路的整体的工作方式如下:TEG将温差能转换为电能,电能通过MPPT接口实现电能功率的最大化利用,然后经过DC-DC升压装置将电压升到3V左右,开始给储能电容器充电。如果TEG产生的电能的功率很大,电路则一边给储能电容器充电,一边驱动后面的比较器、稳压器以及无线发射模块。若TEG产生的电能比较微弱,则首先给储能电容器进行充电,随着充电的进行,当储能电容器中的电压达到双电压比较器MIC841N的阈值电压时,比较器输出一个高电平,该高电平将使稳压器TPS78001处于使能工作状态,稳压器稳定工作,然后储能电容器开始给后面的无线传感器节点供电;当储能电容器放电一段时间后,其电压下降,当电压下降到MIC841N的低压阈值时,MIC841N输出低电平,此时稳压器TPS78001处于中断状态,储能电容器不再对外放电,而开始继续充电,循环往复,本文电路会一直工作下去。

本文实验过程中采用的TEG是德国Micropelt公司生产的TE-Core-direct,无线发射接收模块使用德州仪器生产的RF2500模块,其他电路采用本文中设计的电路。在实验过程中实现了在温差低至3摄氏度的能量采集,可以将数据直线发送到62.7米的接收端。实验结果表明,本文设计电路实现了应用范围广,发送距离长等特点。

结语

本文提供了一种基于微型温差电池的无线传感网络节点自供电系统,通过选择BQ25504、MIC841N和TPS78001芯片,设计相关外围电路,构建了一个完整的无线传感网络节点。实验结果表明,该自供电系统具备启动电压低,能以最大功率点输出的优点。发射模块传送的距离可达62.7m,可直接放置于暖气片、空调出风口、等物体表面,实现微弱能源的采集和利用,能有效解决无线传感网络节点能源供电问题,具备较高的实用价值。

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微型温差电池? 能量缓冲? 无线传感器系统? 能量自给?

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