无线传感电源系统电路

　　在全球面临能源紧缺、气候变暖等严重问题的情况下，人类为了生存和发展转而去寻找和利用清洁能源技术。清洁能源包括太阳能、风能、热能、振动能、海洋能，以及其他能量如人体动能、生化能等能量。随着科技的发展，无线传感器网络技术已经渗透到人类生产和生活的方方面面。无线通信网已经逐步发展到能为任何人和物件之间随时、随地通信的物联网，网络的规模极速扩大，但与此同时物联网的总体的稳定性和可持续发展问题也越来越突出。与此同时，为了满足人类生活的需要，越来越多的传感器需要被安放在人迹罕至或者环境恶劣的地区，这些地区恶劣的环境决定了人们无法使用化学电池为无线传感器节点供电，因为在这些地区更换化学电池往往是一件不太可能的事情。正因为这些原因，本文才想到采用可再生能源（动态能源）为无线通信节点供能来解决这些问题。

　　一套微型温差发电器供给无线传感器网络的系统。该系统以微型温差发电器作为能量源，以德州仪器公司的超低功耗能量管理芯片BQ25504作为 DC-DC升压变换器实现了可以从低至80mV的能量源采集能量，并利用外围电路实现对能量源的最大功率点跟踪控制，并结合能量缓冲器在必要时存储能量，然后通过MIC841N双电压比较器和TPS78001超低压差线性稳压器，实现了微型温差能量的有效采集和利用。该系统通过高效的能量收集和有效的能量管理实现了无线传感器网络的功能，成为了真正的能量自供给无线传感器系统，同时也顺应了现在我国通信行业绿色无线电的发展要求。

　　基于微型温差发电器的无线传感器网络节点架构模型

　　为了满足微型温差发电器供给的无线传感器网络系统的要求，本文设计了如下的无线传感器节点发射端的系统架构，如下图1所示。

　　图1微型温差发电器无线传感器网络节点发射端架构

　　由图1可知，微型温差发电器供电的无线传感器网络节点的发射端结构由温差电能收集器、具有MPPT功能的升压电路、能量缓冲器和系统负载（无线传感器节点）组成。温差电能收集器是由热电转换芯片组成的，可以根据实际的应用场所的大小和所需电能的多少决定热电转换芯片表面积大小和叠加的层数，用以满足不同的应用环境。电源管理集成电路主要是由最大功率点跟踪模块（MPPT）、电能输出接口、充电器（DC-DC升压模块）、能量缓冲器构成。其中能量缓冲器电路由储能电容、比较器电路和稳压器电路构成。负载主要包括处理传感器采集到的数据，并通过无线发射模块发射出去。由图1可知，在微型温差发电器供电的无线传感器网络节点中，电源能量管理电路（Power Management Integrated Circuit， PMIC）是极其重要的一环，它所包含的电路功能多而重要，是微型温差发电器能量采集系统的关键所在。

　　电源能量管理控制电路（PMIC）整体设计方案

　　在本文中电源管理控制电路主要包含了如下功能，最大功率点跟踪、DC-DC升压转换和能量缓冲。如图2所示，基于微型温差发电器的能量自供给无线传感器系统的能量采集和管电路主要是由芯片BQ25504、MIC841N、TPS78001和储能电容器以及它们相应的外围电路构成。超低电压升压转换和管理芯片BQ25504，低功耗多功能电压比较器MIC841N和线性稳压输出芯片TPS78001一起构成了微型温差发电器供给的无线传感器网络节点的温差能量采集和管理使用的多重功能。

　　图2系统温差能量采集和应用电路原理图

　　在本文中，BQ25504电源管理芯片主要实现了从热能转换模块中以超低功耗汲取能量。BQ25504是一个16个引脚的、3mm*3mm分装的高效率能量管理芯片，16个引脚依次逆时针分布，本文通过合理地应用这些引脚的相应的功能，实现了微型能量的高效管理。除此之外，该芯片的一个显著优点是拥有超低的工作启动电压，这使得它可以在稳定工作时从低至80mv的能量源提取能量，并对超低电压进行升压转换，以便后续电路进行存储使用。在本文电路中，搭配合适的外围电路实现了从超低功率能量源采集电能的最大功率点跟踪，这对于微型温差能量自供给系统有着至关重要的作用。同时通过外围电路设定过压和欠压的电路保护，保证芯片的稳定工作。

　　MIC841N是一个超低功耗的具有内部参考电压的双电压比较器。在本文中通过设置其电压比较的上限和下限来驱动后面的线性稳压器。其工作的特点是，通过不断的检测引脚VDD上的电压，并与引脚LTH和HTH上设定的工作电压进行比较，从而确定输出的电压（即引脚OUT的输出信号）的高低，进而控制稳压器 TPS78001的工作状态。TPS78001是TI生产的超低功耗稳压器，它可以实现电路输出电压的稳压作用，通过设置相应的外围电路的电阻参数，可以使输出得到一个稳定的电压，这样就可以稳定地驱动后面的无线传感器发射节点。为了更好的对图2设计电路进行解释说明，下面对上述电路图的各个模块包含的芯片和相关电子元件，以及工作方式和功能进行详细的描述。图2中的电路是微型温差发电器自供电系统的总体电路图，根据实际电路的作用可将其划分为三个电路，在此以电路A、B和C来代替。电路A是以BQ25504芯片为核心的具有MPPT功能的DC-DC升压变换器电路以及能量存储电路；电路B是以MIC841N芯片为核心的双电压比较器电路；电路C是以TPS78001芯片为核心的稳压器输出电路。

　　具备MPPT功能的DC-DC升压转换以及储能电路设计

　　如图3所示，电路A主要是由电能管理芯片BQ25504及其外围电路构成。首先按照如图3连接电路A的相关电子元器件。TEG（Thermoelectric Generator）即是微型温差发电器，它输出的是温差电转换的裸电压。电路A的主要功能是MPPT、DC-DC升压变换，以及能量存储电路，以下对如何实现这三个功能进行详细叙述。

　　图3带MPPT功能的DC-DC升压电路和能量存储电路原理图

　　DC-DC超低电压升压功能电路设计

　　本文设计的能量缓冲器电路是在BQ25504芯片的输出位置通过一个二极管D1接入一个储能电容器。通过储能电容器的应用，本文可以实现在温差能充足时，DC-DC转换过后的能量不仅能够供给无线传感器节点使用，而且多余的能量可以存储在储能电容器中，实现能量的最大节约；温差发电器采集到的电量不足的时候储能电容器可以暂时充当能量源的角色，保证后面的无线传感器节点有效的工作，并且由于二极管D1的存在避免了储能电容器反向给温差发电器充电的情况。

　　双电压比较器MIC841N为核心的比较器电路设计

　　在本文中，采用MIC841N作为电压比较器，通过该比较器可以实现对储能电容存储电压的检测，并对后续的线性稳压器的工作状态进行控制。如图4所示是MIC841N的工作参考电路，本文依托参考电路，合理设置外围电阻等器件参数，来实现其比较控制功能。

　　图4 MIC841N双电压比较器工作参考电路

　　首先，如图4所示，连接好电路，其Vin端接前面电路的储能电容器的正极；Vin端通过电阻R2接入LTH端；LTH端和HTH端通过电阻R3相连；HTH端接电阻R4然后接地；Vout接TPS78001芯片的EN端。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

　　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。

　　电路为宽带直接变频发射机模拟部分的完整实施方案（模拟基带输入、RF输出）。通过使用锁相环（PLL）和宽带集成电压控制振荡器（VCO），本电路支持500MHz至4.4GHz范围内的RF频率。PLL中的本振（LO）执行谐波滤波，确保提供出色的正交精度、边带抑制和低误差矢量幅度（EVM）。低噪声、低压差调节器（LDO）确保电源管理方案对相位噪声和EVM没有不利影响。这种器件组合可以提供500MHz至4.4GHz频率范围内业界领先的直接变频发射机性能。

　　图1：直接变频发射机（原理示意图：未显示所有连接和去耦）。

　　图2:CN-0285直接变频发射机评估板。

　　电路描述

　　图1所示电路使用完全集成的小数N分频PLL ICADF4351和宽带发射调制器ADL5375.ADF4351向发射正交调制器ADL5375提供LO信号，后者将模拟I/Q信号上变频为RF信号。两个器件共同提供宽带基带I/Q至RF发射解决方案。ADF4351采用超低噪声3.3VADP150调节器供电，以实现最佳LO相位噪声性能。 ADL5375则采用5VADP3334LDO供电。ADP150 LDO的输出电压噪声仅为9μVrms，有助于优化VCO相位噪声并减少VCO推压的影响（等效于电源抑制）。

　　需要对ADF4351 RF输出进行滤波，以衰减谐波水平，使ADL5375正交产生模块的误差最小。依据测量和仿真得知，奇次谐波对正交误差的贡献大于偶次谐波；如果将奇次谐波衰减至？30dBc以下，则可以实现？40dBc或更好的边带抑制性能。ADF4351数据手册给出了其二次谐波（2H）和三次谐波（3H）水平，如表 1所示。为使三次谐波低于-30dBc，大约需要衰减20dB.

　　表1:ADF4351 RF输出谐波水平（未经滤波）。

　　本电路提供四种不同的滤波器选项，以适应四个不同的频段。这些滤波器设计采用100Ω差分输入（ADF4351 RF输出经适当匹配）以及50Ω差分输出（ADL5375 LOIN差分阻抗）。并采用切比雪夫响应，以获得最佳滤波器滚降，但通道纹波会增多。滤波器原理图如图3所示。这种拓扑结构十分灵活，既可以使用全差分滤波器，使器件数量最少，也可以对各路输出使用一个单端滤波器，或者综合运用以上二者。我们发现，对于较高频率（》2GHz），两个单端滤波器的串联电感值是全差分滤波器电感值的两倍，因而器件寄生效应的影响得以减小，可提供最佳性能。对于较低频率（《2GHz），全差分滤波器足以满足需要。

　　图3:ADF4351 RF输出滤波器原理图。

　　ADF4351输出匹配包括ZBIAS上拉电阻，电源节点的去耦电容也起到一定的作用。为实现宽带匹配，建议使用阻性负载（ZBIAS=50Ω），或者将一个阻性负载与ZBIAS的电抗性负载并联。后者提供的输出功率稍高，具体取决于所选的电感。
                         
　　可以将并联电阻作为差分元件（即100Ω）放置在C1c位置上，以最大程度减少电路板占位空间（见表2中的B型滤波器）。将滤波器设计成截止频率约为目标频段中最高频率的1.2至1.5倍。该截止频率允许设计留有一定余量，因为通常截止频率会由于寄生效应而低于设计值。印刷电路板（PCB）寄生效应可以在电磁（EM）仿真工具中进行仿真，以提高精度。

　　表2:ADF4351 RF输出滤波器元件值（DNI=不插入）。

　　从表2可以看出，在1250MHz以下的较低频率时，需要一个五阶滤波器。对于1.25GHz至2.8GHz的频率，三阶滤波器便足够。对于2.8GHz以上的频率，由于此时谐波水平非常低，足以满足边带抑制要求，因此无需滤波。

　　图4:B型滤波器的边带抑制（850MHz至2450MHz）。

　　图5:EVM图。

　　对于使用B型滤波器（800MHz至2，400MHz）的电路，其边带抑制性能与频率的关系如图4所示。此次扫描的测试条件如下：基带I/Q幅度=1Vp-p差分正弦波与500mV（ADL5375-05）直流偏置正交。基带I/Q频率（fBB）=1MHz。EVM衡量数字发射机或接收机的性能质量，反映幅度和相位误差所导致的实际星座点与理想位置的偏差（见图5）。表3给出了有滤波器和无滤波器两种情况下的EVM测量结果。本例中，基带I/Q信号是利用3GPP测试模型4，使用Rhode & Schwarz AMIQ I/Q调制发生器，通过差分I和Q模拟输出产生。

　　表3：单载波W-CDMA复合EVM结果：ADF4351 RF输出端有滤波器和无滤波器两种情况对比（根据3GPP规范测试模型4测量）。

　　另外还使用了B型滤波器。图6为EVM测试设置的框图。为了进行比较，还测量了 ADF4350.ADF4351由于带内PLL噪声性能改善产生较低的EVM可参见表3.其他改善EVM的因素有：ADF4351较低的鉴频鉴相器（PFD）杂散水平。

　　图6:EVM测量设置（原理示意图）。

　　以差分方式驱动ADL5375 LO输入，除了可以改善边带抑制和EVM之外，还具有性能优势。与单端LO驱动相比，这一优势提高了调制器输出OIP2性能2dB至5dB.请注意，多数外部VCO仅提供单端输出，因此ADF4351采用差分输出优于使用外部VCO.图7显示使用850MHz至2450MHz滤波器（B型滤波器）的边带抑制结果。

　　图7:850MHz至2450MHz、B型滤波器的边带抑制结果。

　　常见变化

　　当单个滤波器无法完成所需的宽带操作时，可以使用ADF4351的辅助输出，在两种类型的滤波器之间切换（见图8）。使用一个RF双刀四掷开关（DP4T）选择滤波器1或滤波器2的差分输出。

　　图8：利用ADF4351的主输出和辅助输出实现滤波器切换的应用图。

　　电路评估与测试

　　EVAL-CN0285-EB1Z评估板包含CN-0285中描述的电路，可以快速完成设置并评估电路性能。EVAL-CN0285-EB1Z板的控制软件使用标准ADF4351编程软件，该软件包含在评估板附带的光盘上。