龔瑞昆， 鄧朋浩， 張堪傲

(1. 華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 華北理工大學(xué)冶金能源學(xué)院，河北唐山 063210)

無線技術(shù)的不斷更新，WSN 以其覆蓋范圍廣、低功耗以及自組織等性能為人們所應(yīng)用，為水質(zhì)監(jiān)測(cè)的研究和發(fā)展提供了有利條件，但是WSN 的節(jié)點(diǎn)大部分都是采用干電池或者蓄電池供電[1]，生存周期較短。太陽能技術(shù)的發(fā)展，為解決傳感器節(jié)點(diǎn)能源問題提供了新的手段。太陽能以其無噪聲、無污染、無地域限制等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展成為最有潛力的可再生能源。文獻(xiàn)[1-2]中采用太陽能技術(shù)設(shè)計(jì)自供能的能量管理系統(tǒng)，文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)太陽電池板和鋰電池的雙電源系統(tǒng)。在不同的場(chǎng)合WSN 節(jié)點(diǎn)的電源部分常常采用不同的供電方式，單片機(jī)為主的電源控制系統(tǒng)因其方便性和抗干擾性強(qiáng)漸漸為人們所研究。

本文提出一種單片機(jī)為主控制器的多電源供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為太陽能、鋰電池以及儲(chǔ)能電容三種供電方式，通過隔離電路對(duì)供電方式進(jìn)行選擇，太陽電池和儲(chǔ)能電容優(yōu)先供電，最大限度延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命。

1 多電源供電系統(tǒng)總體框圖

供電系統(tǒng)框圖如圖1 所示，主要由充電管理電路、儲(chǔ)能電路、電池保護(hù)電路和電源輸入隔離電路組成。

圖1 供電系統(tǒng)框圖

太陽電池板輸出電壓不穩(wěn)定，對(duì)鋰電池充放電管理不合理，因此充電管理電路使用高度集成的芯片CN3722 來進(jìn)行充電管理，一方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，一方面對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，為了避免能量浪費(fèi)，儲(chǔ)能電路中的儲(chǔ)能電容將多余的能量?jī)?chǔ)存起來。CN3722 芯片通過對(duì)鋰電池電壓的監(jiān)測(cè)，來避免鋰電池被過度充電，而保護(hù)電路采用芯片CN301 來避免鋰電池過度放電，進(jìn)而起到保護(hù)鋰電池的作用。電源輸入隔離電路采用LTC4417 芯片智能監(jiān)測(cè)判斷充電優(yōu)先級(jí)，DC-DC 電路采用GM2101 芯片集成電路將電源輸入電壓轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)所需電壓。

2 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)

2.1 電池的選擇

表1 所示為各種電池性能的比較。從表中可以看出，聚合物鋰電池相比于其他種類的電池，負(fù)荷力要高一些，循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電率符合低功耗的要求，而且其中沒有有毒物質(zhì)，不會(huì)造成環(huán)境污染，所以本設(shè)計(jì)采用聚合物鋰電池，一般正常工作電壓為3.6～4.2 V。

表1 可充電電池性能比較

2.2 太陽電池板的選取

選取太陽電池板時(shí)主要考慮太陽電池板的最大輸出電壓和電流，還有它的光電轉(zhuǎn)換效率，負(fù)載的實(shí)際功率等因素，要因地制宜地選擇符合當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r的太陽電池板。根據(jù)轉(zhuǎn)換效率的高低，太陽電池板可以分為單晶硅和雙晶硅，單晶硅的穩(wěn)定性較好，轉(zhuǎn)換效率相比多晶硅也高一些，但是由于單晶的有刀角而非完整的正方角，制作成本較大，市場(chǎng)使用較少。

本文采用的是單晶電池板，考慮到野外使用時(shí)，電池板的體積不宜太大，選用尺寸為100 mm×100 mm。

2.3 充電管理電路模型設(shè)計(jì)

太陽電池板根據(jù)光電效應(yīng)原理把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，通過充電管理電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。充電管理電路由高度集成的芯片CN3722 構(gòu)成，芯片性能優(yōu)越，應(yīng)用于很多電子設(shè)備。它不僅具有太陽電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能，還具有電池溫度監(jiān)測(cè)功能，以及封裝外形小、無毒等優(yōu)點(diǎn)。充電管理電路模型如圖2 所示。

圖2 充電管理電路模型

當(dāng)太陽電池板把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，輸入到芯片CN3722集成的電路，當(dāng)輸入電壓大于鋰電池端電壓，CN3722 對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。CHRG 引腳輸出低電平發(fā)光二極管D2亮，表示正在對(duì)鋰電池充電；DONE 引腳輸出低電平發(fā)光二極管D1亮，表示充電完成。 芯片CN3722 中MPPT 管腳被調(diào)制在1.04 V，配合R8和R9形成對(duì)太陽電池最大功率點(diǎn)跟蹤，可得公式：

同時(shí)還需要考慮一些外接元器件的參數(shù)設(shè)置。例如，補(bǔ)償電容C14的數(shù)值根據(jù)電阻R15和R16設(shè)置為：肖特基二極管D3、D4和電感等元器件根據(jù)充電電流的大小選擇型號(hào)；輸出電壓Vbat和R6、R7組成分壓網(wǎng)絡(luò)與FB 管腳形成反饋回路，輸出電壓公式為：

在TEMP 腳和GND 腳之間設(shè)置控制電路，接入熱敏電阻R10，通過監(jiān)測(cè)鋰電池溫度變化，執(zhí)行禁止充電操作以此來避免對(duì)鋰電池過度充電，實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用。

鋰電池的充電過程如圖3 所示。充電過程分為三個(gè)階段，分別為涓流充電、恒流充電、恒壓充電。設(shè)置電壓檢測(cè)閾值為3 V，當(dāng)電壓低于閾值時(shí)，CN3722 芯片的FB 端檢測(cè)到電壓，對(duì)鋰電池進(jìn)行涓流充電，也就是預(yù)充電；充電一段時(shí)間后，電池電壓達(dá)到閾值開始第二階段恒流充電；隨著對(duì)鋰電池的充電，電池電壓達(dá)到4.2 V 時(shí)，充電電流逐漸減小，自動(dòng)調(diào)整為恒壓充電模式。這里設(shè)置充電結(jié)束閾值為2.7 V，當(dāng)電流減小到結(jié)束閾值時(shí)結(jié)束充電。第三階段采用小電流主要是為了防止“虛充”。

圖3 鋰電池充電過程示意圖

2.4 電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是為了防止鋰電池過度放電，延長(zhǎng)電池壽命，但是對(duì)保護(hù)電路本身的功耗也是有要求的，盡可能減少系統(tǒng)功耗。設(shè)計(jì)選用CN301 芯片組成的低功耗電池電壓監(jiān)測(cè)集成電路，搭建電路模型如圖4 所示。它的基本工作原理是通過判斷是否達(dá)到鋰電池過度放電低電壓閾值，來決定LBO 端的電平高低。當(dāng)LBO 處于低電平，NMOS 管關(guān)斷，PMOS 管的柵極電平拉高，電池到負(fù)載的放電回路被阻斷，電池不能放電。

圖4 保護(hù)電路模型

通過公式(3)可以利用下行閾值求出LBO 轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)的電池電壓值，也就是電池過度放電的電壓值，下行閾值設(shè)置為Vfth=1.14 V。從公式中可以看出R1和R2對(duì)電池電壓影響很大，一般選擇阻值比較大的，這里選擇R1為200 kΩ，R2為100 kΩ。

2.5 儲(chǔ)能電路

儲(chǔ)能電路的工作原理主要是利用超級(jí)電容將電能儲(chǔ)存起來，避免能量的浪費(fèi)。系統(tǒng)采用HR-2R7-J407UY LR 型號(hào)的超級(jí)電容，額定電壓為2.7 V，額定電容為400 F，它的儲(chǔ)能過程不同于化學(xué)電源是物理變化，抗干擾能力強(qiáng)，生存周期也長(zhǎng)。工作原理如圖5 所示。

圖5 超級(jí)電容工作原理

超級(jí)電容是依靠雙電層和氧化還原假電容電荷存儲(chǔ)電能，當(dāng)超級(jí)電容器兩端被加電壓時(shí)，兩個(gè)極板會(huì)分別存儲(chǔ)正、負(fù)電荷，極板中間會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)，為平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，電解液中的正負(fù)電荷會(huì)向兩邊移動(dòng)，如此形成雙電場(chǎng)，這種電荷分布層叫做雙電層，電容量非常大。當(dāng)電容放電對(duì)系統(tǒng)供電時(shí)，電極板上的電荷被外電路釋放，電解液界面上的電荷因?yàn)橥怆妶?chǎng)作用減弱而逐漸減少，逐漸恢復(fù)到原狀態(tài)。由此可以看出，超級(jí)電容的儲(chǔ)能和放電過程是物理變化的。

2.6 輸入隔離電路和DC-DC 電路設(shè)計(jì)

電源輸入隔離電路采用芯片LTC4417 構(gòu)成的集成電路，它非常適用于三個(gè)電源輸入的設(shè)計(jì)電路，通過引腳的分配來確定輸入電源的優(yōu)先級(jí)，其中V1 為最高優(yōu)先級(jí)，V2 為次級(jí)，V3 為最低的優(yōu)先級(jí)。本系統(tǒng)將太陽電池板設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)電源輸入，最大限度利用自然資源，儲(chǔ)能電容為第二優(yōu)先級(jí)，鋰電池設(shè)置為最低優(yōu)先級(jí)，盡可能減少電池的充放電，延長(zhǎng)生存周期。

圖6 所示為L(zhǎng)TC4417 芯片的電源分級(jí)部分引腳示意圖。當(dāng)電源電壓在OV 和UV 窗口之間時(shí)，稱為有效電源即對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電的電源。這里太陽電池板輸入電壓為V1=5.5 V，超級(jí)電容輸入電壓為V2=5.5 V，鋰電池正常工作輸入電壓為V3=3.7 V。通過對(duì)電源電壓的監(jiān)測(cè)來管理輸入電源。

圖6 LTC4417芯片部分引腳示意圖

DC-DC 轉(zhuǎn)換電路要根據(jù)系統(tǒng)電壓的轉(zhuǎn)換需求來設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)工作電壓一般為3.3 V,由輸入隔離電路可知各電源的輸入電壓都大于3 V，所以需要設(shè)計(jì)降壓型轉(zhuǎn)換電路。此設(shè)計(jì)采用GM2101 芯片構(gòu)成的集成電路，它是一種可以將輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V 的高效同步降壓轉(zhuǎn)換器芯片，獨(dú)創(chuàng)的FCOT 技術(shù)增加了轉(zhuǎn)換效率，而且具有低噪聲，輸入范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

通過對(duì)充電管理電路的設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)太陽電池板對(duì)鋰電池的充電情況，記錄電壓變化情況。圖7 為CN3722 芯片集成電路焊接示意圖，圖8為芯片CN3722的PCB示意圖。

圖7 CN3722芯片集成電路焊接示意圖

圖8 CN3722芯片的PCB示意圖

在實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)太陽電池板、超級(jí)電容和鋰電池的電壓變化，繪制成折線圖，監(jiān)測(cè)周期為24 h，如圖9 所示。隨著太陽光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，太陽電池板電壓逐漸增強(qiáng)，同時(shí)也開始對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，起始鋰電池電壓為3.8 V，一直充電達(dá)到飽和狀態(tài)4.2 V。到夜間7 點(diǎn)之后，基本無太陽光，太陽電池板無輸出，停止對(duì)鋰電池充電。到夜晚儲(chǔ)能電路中超級(jí)電容進(jìn)行放電，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。當(dāng)電容放電到一定程度電壓下降后，鋰電池開始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電。電容電壓從0.7 V 升到4 V只用了一個(gè)小時(shí)左右，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，鋰電池的使用時(shí)間相對(duì)其他電源來說非常短，充放電次數(shù)明顯減少。

圖9 電壓變化曲線

4 結(jié)束語

以單片機(jī)為主控電路，設(shè)計(jì)為WSN 節(jié)點(diǎn)提供持續(xù)能量的多電源供電系統(tǒng)。利用太陽能技術(shù)，結(jié)合鋰電池和超級(jí)電容設(shè)計(jì)集成電路，采用CN3722 芯片和太陽電池板，自動(dòng)控制和管理鋰電池的充放電，超級(jí)電容存貯多余的太陽能能量，太陽電池板和電容主要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，盡可能減少鋰電池的充放電次數(shù)，延長(zhǎng)生存周期。通過對(duì)三種電源電壓的監(jiān)測(cè)，可以得出該硬件電路在WSN 節(jié)點(diǎn)供電的測(cè)試中是行得通的，能達(dá)到延長(zhǎng)鋰電池使用年限的目標(biāo)。而且該硬件抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的開發(fā)和應(yīng)用中具有很高的使用價(jià)值。