韩晓婧 张子佑 刘锋

摘 要：随着物联网的发展以及传感器的广泛使用，以电池为主的无线传感器供电方式因电池的固有缺陷而备受关注。将环境中的微弱能量转化为电能可以实现无线传感器网络节点自供电。文中设计了一种毫微功耗的微弱能量收集电路，实验结果表明，通过收集环境中的微弱能量能够取代电池或者利用收集的能量给电池充电，从而延长电池的寿命，以解决无线传感器网络节点的供电问题。

关键词：低功耗；无线传感器；能量收集电路；自供电

中图分类号：TN712.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）09-0090-04

0 引 言

环境中的微弱能量非常微小，但随着电子技术和制造业的发展，传感器正常工作的功耗也越来越低，收集环境中的微弱能量完全能够满足传感器正常工作的需求。通过对微弱能量的收集来取代电池或者将收集的电能为电池供电是解决传感器供电问题的一种有效途径。在过去的几年间，物联网技术得到了高速发展，而电源技术的进步却小得多，电池在能量的存储密度上没有太大提高[1]。传统的无线传感器依靠电池供电来工作并以无线方式发送其测试数据[2]。这种供电方式的优点在于比较可靠，但缺点是传感器网络节点的使用时间长短取决于供电电池的寿命[3]。因此，研究者希望能够实现传感器的自供电，利用环境中的微弱能量取代电池或延长电池的寿命[4，5]。环境中微弱能量的收集由于具有收集方便、来源广泛等优点，得到了研究者的极大关注，成为国际上的研究热点之一[6，7]。

本文设计了一种毫微功耗的微弱能量收集电路，利用LTC3588-1、LT3464、TLV61225三种芯片作为核心电压变换电路；LTC4071芯片为核心的充电控制电路；TPL5100芯片为核心输出控制电路设计微弱能量收集电路，将收集到的电能存储到储能装置或者直接给负载供电。将能量收集器接入电路，验证微弱能量收集电路将收集的电能储存在锂电池中的可行性以及电路自身的低功耗。以MSP430F149和nRF24L01为负载，通过实验证明所设计的电路可以将收集到的微弱能量为传感器网络节点供能。

1 各种微弱能量的收集

微弱能量收集作为一种减少或消除对电池依赖的方法已经获得了人们极大的关注。一些通过收集来自人或者环境中微能量的收集技术已经可以使用[8，9]。目前，能量收集器可以把环境中的振动、电磁、温差能、摩擦等能量转换为电能[10-14]。人们通过把获得的这些能量储存在储能装置中或者经变换后提供给负载供电以延长电池的寿命或者实现电路的自供能。

现在人们已经实现了对环境中一些微弱能量的收集和利用，与传统发电机的发电方式不同，微弱能量收集是将环境中的微小能量转换成可以供低功耗器件使用的电能，从而达到高效利用能量的目的。环境中可收集的微弱能量主要有以下几种[15]：

（1）光能：从光源的光照中得到能量，典型的就是太阳光光照。

（2）温差能：将环境中的温差转换为能量。

（3）振动能：从物体的振动中获得能量。

（4）摩擦能：通过不同物体之间相互摩擦产生能量。

以上每种微弱能量转化成电能的原理都不相同，产生的电能也有各自的特点。摩擦能转换效率高[16]，但必须通过两种特定材料的接触摩擦才能产生电能，而温差能的转换需要在热电材料两端产生足够大的温度差才可以将温差能转换为电能，适用于有温差产生的环境中。振动能的转换需要压电材料在环境中受力发生形变才能产生电能。表1所列为各种形式的微弱能量被转换为电能后的特性。

2 毫微功率的微弱能量收集电路

虽然目前摩擦纳米发电的功率密度最大，但这种发电机制作困难、成本高。而且在实际中难以找到满足发电要求的两种纳米材料，与此同时，对摩擦能量的收集和存储也存在诸多困难。相比较，其它微弱能量的收集更容易实现，且能量收集器的成本低，环境中的来源也比较丰富，因此本文设计了针对振动能、太阳能、温差能的微弱能量收集。

2.1 振动能量收集电路

本文采用以LTC3588-1芯片为核心的电路来收集振动能量收集器产生的电能。LTC3588-1是凌力尔特公司设计的一款电源管理芯片，可优化对低压电源的管理。LTC3588-1的内部电路可以分为输入端整流模块、限压模块、滤波模块、 DC-DC稳压模块四部分。它具有如下特点：

（1）无负载时的静态电流为950 nA；

（2）在欠压闭锁模式下的静态电流可以降低至450 nA；

（3）在2.7～20 V的输入电压范围内工作；

（4）为了减小整流电路的损耗，在内部集成了高效率的全波桥式整流器；

（5）输出电压可调，可选1.8 V、2.5 V、3.3 V、3.6 V输出电压。

以LTC3588-1芯片为核心的振动能量收集电路的原理图如图1所示。

2.2 太阳能能量收集电路

虽然照射到地面的太阳能总量很大，但太阳能的能量密度很低，且部分地方光照时间很短。为了克服太阳能收集中的问题，本文设计了太阳能收集电路，将转换后的电能不直接给负载供电，而是结合振动能量收集电路，将收集的电能经DC-DC变换后存储在C1储能电容中，让太阳能能量收集电路增加电能的来源，保证整个供电系统的电能来源充足。

本文设计的太阳能能量收集电路以LT3464升压转换器为核心，LT3464是凌力尔特公司设计的一款低功耗的升压转换器，其主要有如下特点：

2.3 温差能量收集电路

相比于其它形式的能量，温差能更加微弱，因此在设计能量收集电路时电路的输入电压范围要大，输入的最低门限电压要低，这样才能保证在温差发电片的输出电压较低时，温差能收集电路还能正常工作，保证对负载的持续供能。针对温差能量收集对电路的要求，本文采用TLV61225升压转换器来设计温差能的收集电路。TLV61225是TI公司设计的一款极低功耗的升压转换器。其主要有如下特点：

2.4 能量存储电路

完整的能量收集电路必然会有电能存储电路，在收集电能来源充足时，将多余的电能存储在电池中；当收集的电能来源不足时，电池中存储的电能又可以给整个电路反向供电，保证给负载持续供能。本文设计的能量存储电路以LTC4071芯片为核心，该芯片是一款非常出色的充电管理芯片，可以在电流非常低的情况下为锂电池持续充电，还可以在电池电量过低时停止电池向外供电，防止电池因深度放电而造成损坏。同时具有极低的功耗，其工作电流最低可达550 nA。凭借其低功耗的优势，LTC4071适用于在微弱能量收集中实现对锂电池或薄膜电池的充电。能量存储电路的原理图如图4所示。

2.5 输出控制电路

输出控制电路是对电路的输出进行必要的控制，在实际应用中，不需要负载时刻工作，大多数情况下负载的间断工作就能满足要求。负载间断工作不仅可以节约电能，还能够延长电池的寿命。因此本文采用TPL5000定时器来控制电路的间断输出。TPL5000是德州仪器推出的能降低系统待机功耗的可编程系统定时器，其正常工作的电流消耗仅为30 nA。

TPL5000可编程定时器通过D0、D1、D3引脚来选择定时器的延迟时间，可选定时延迟范围为1～64秒。当PDOOG引脚为高电平时，定时器开始计时，定时时间到后，TCAL引脚输出持续时间为20 ms左右的高电平，高电平的值约等于VCC的值。因此它能为测量数据变动缓慢的无线传感器节点间断供电，可进一步延长传感器等众多应用的电池使用寿命。TPL5000定时器原理图如图5所示。

3 实验测试与结果

图6所示为微弱能量收集的实验测试电路图。通过同时收集环境中的三种微弱能量来对电路进行测试。在测试中，当能量收集器同时收集能量时，在没有负载的情况下，收集到的能量被存储在电池中，图7所示为电池两端电压随着能量收集时间的变化图。通过大约41分钟，锂电池两端的电压从1.12 V增加到了4.96V。

在实验测试中，本文使用MSP430F149单片机和NRF24L01传感器作为一个节点，通过NRF24L01无线传感器将MCU里的输出发射出去，由另外一个NRF24L01无线传感器来接收它所发射的数据，以此来验证能否通过收集到的能量供电让传感器网络节点正常工作。

图8所示为无线传感器网络节点的实际测试电路图。通过能量收集电路将能量收集器产生的电压进行变换，输出稳定直流电给负载供电。输出控制电路选择每间隔2 s断续供电。即每隔2 s负载端产生一个持续20 ms的高电平给传感器节点供电，触发MSP430F149，让它从低功耗状态被唤醒变为正常的工作模式，无线传感器NRF24L01也从待机状态进入发射状态，然后把数据通过NRF24L01发送出去，另外一端用相同的传感器去接收所发送的数据。整个发射过程持续2 ms，无线发射传感器发射的距离可以达到15 m以上。

无线传感器网络节点最重要就是低功耗，如果电能消耗过大，那么整个能量收集电路都是不合理的，也就失去了实用价值。本文设计的电路均采用低功耗电子器件，将电路消耗降到最低，每间隔2 s进行一次数据发送，进一步减少了传感器网络节点的功耗，整个节点平均消耗功率为100 μW左右。如果在实际应用中选择的时间间隔较长，那么节点所消耗的功率将更小。

4 结 语

本文设计的微弱能量收集电路能够同时实现对振动能量、太阳能、温差能的收集，扩大能量来源的范围，并且可以将收集到的多余的能量存储在锂电池中，延长电池的寿命。实现微瓦级别的微弱能量收集将其收集的能量给功率在10 mW左右的低功耗电子器件供电。 测试结果显示， 跟其它已有的环境中微弱能量收集电路相比，本文设计的微弱能量收集电路具有更低的功耗，提高了带负载能力，实现了微弱电能的收集，验证了给低功耗器件供能的可行性。由于微弱能量的收集具有节能、环保、易于实现等特点，因此其作为新型能源具有良好的应用前景。

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