微型溫差電池的無線傳感器節(jié)點(diǎn)自供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.2.1最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能電路設(shè)計(jì)

　　最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)是一種最大化利用發(fā)電器所產(chǎn)生電能的技術(shù)。本文通過一定的電氣模塊調(diào)節(jié)微型溫差發(fā)電器的溫差芯片的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電器輸出功率的最大化。根據(jù)已知的微型溫差發(fā)電器的輸出特性曲線，當(dāng)輸出的電壓大約等于開路電壓的50%時可以得到最大的輸出功率。從TEG提取最大功率的技術(shù)主要是動態(tài)改變DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率，本文根據(jù)這一特性利用BQ25504采用了電阻比例分壓法實(shí)現(xiàn)了輸出電壓為開路電壓的一半，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了輸出功率的最大化。

　　如圖3所示，為了實(shí)現(xiàn)MPPT功能，在引腳2(VIN_DC)和引腳3(VOC_SAMP)分別接電阻OC2和電阻OC1.引腳2通過OC2接引腳3，引腳3通過OC1接地，具體如電路原理圖所示。

　　然后按照以下的方式確定ROC1和ROC2的阻值：

　　VIN_DC是電壓輸出端，通過ROC1和ROC2的分壓作用，使得VOC_SAMP處的電壓為：

　　又因?yàn)門EG輸出的電壓大約等于開路電壓的50%時可以得到最大的輸出功率，因此ROC1/(ROC1+ROC2)的值應(yīng)為1/2，因此ROC1= ROC2，在電路設(shè)計(jì)實(shí)際中，本文選擇了10MΩ作為其阻值，因此ROC1 =ROC2 =10MΩ。

　　BQ25504芯片每16s采樣一次VOC_SAMP的電壓值，可以保證在溫差發(fā)電器的輸出功率發(fā)生變化的情況下，在較短的時間內(nèi)可以準(zhǔn)確跟蹤到微型溫差發(fā)電器輸出功率的最大點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最有效的電能采集。

　　2.2.2 DC-DC超低電壓升壓功能電路設(shè)計(jì)

　　BQ25504的另一個最重要的功能就是可以實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)定工作時從低至80mV的電壓持續(xù)汲取能量，這對于微型溫差發(fā)電器十分重要。BQ25504的充電電路是集成在芯片內(nèi)部的DC-DC升壓模塊構(gòu)成。內(nèi)部升壓模塊是通過脈沖頻率調(diào)制將輸入電壓調(diào)節(jié)到芯片的能量存儲設(shè)備需要的電壓。為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)電能存儲(儲能電容器)設(shè)備的長壽命高效率工作，本文結(jié)合BQ25504為充電電路設(shè)定了欠壓閾值(UV)，充電完成閾值(VBAT_OK)，過壓閾值(OV)，欠壓和過壓閾值的設(shè)定分別用于避免儲能電容器儲能設(shè)備過度放電和過度充電，盡可能延長儲能電容器的工作使用壽命。VBAT_OK的設(shè)定用于控制充放電過程，進(jìn)而控制整個電路的工作流程。

　　在本文中，結(jié)合充電電路的實(shí)際情況，本文設(shè)定，VBAT_OV=3.5V，VBAT_UV=2.8V，VBAT_OK=3V，VBAT_OK_HYST=3.2V.

　　然后依照以下的公式確定外圍電阻的阻值：

　　在電路中，VBIAS是芯片BQ25504的內(nèi)部參考電壓，其值為1.240V，并且在電路設(shè)計(jì)中本文約定RUV1+RUV2=10MΩ，ROV1+ROV2=10MΩ，ROK1+ROK2+ROK3=10MΩ;結(jié)合方程(2)，(3)，(4)，(5)，本文得到：

　　RUV1=4.43M;RUV2=5.57M;

　　ROV1=5.31M;ROV2=4.69M;

　　ROK1=3.875M;ROK2=5.5M;ROK3=625K;

　　2.2.3 DC-DC超低電壓升壓功能電路設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的能量緩沖器電路是在BQ25504芯片的輸出位置通過一個二極管D1接入一個儲能電容器。通過儲能電容器的應(yīng)用，本文可以實(shí)現(xiàn)在溫差能充足時，DC-DC轉(zhuǎn)換過后的能量不僅能夠供給無線傳感器節(jié)點(diǎn)使用，而且多余的能量可以存儲在儲能電容器中，實(shí)現(xiàn)能量的最大節(jié)約;溫差發(fā)電器采集到的電量不足的時候儲能電容器可以暫時充當(dāng)能量源的角色，保證后面的無線傳感器節(jié)點(diǎn)有效的工作，并且由于二極管D1的存在避免了儲能電容器反向給溫差發(fā)電器充電的情況。