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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

   2012年05月16日 16:29  
  摘要:ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、充電控制電路和鋰電池組成,采集光能并將其轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在鋰電池中。通過(guò)鋰電池充電管理芯片CN3063組成充電控制電路對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理。利用超低功耗鋰電池電壓檢測(cè)芯片CN301組成放電保護(hù)電路,zui大限度地延長(zhǎng)鋰電池的壽命。由于電源能量來(lái)自太陽(yáng)能,因此非常適合野外布置的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)使用。
    
  引言
  
  電源是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分,特別是對(duì)于野外布置的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),供電線路的鋪設(shè)難度較大,采用電池供電時(shí)需要定期更換電池,在一定程度上增加了系統(tǒng)維護(hù)的成本。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)不僅解決了野外長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人監(jiān)護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題,而且還具有供電持久、環(huán)保節(jié)能和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),具有良好的應(yīng)用前景。
  
  太陽(yáng)能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是通過(guò)太陽(yáng)能電池板對(duì)鋰電池進(jìn)行充電,同時(shí)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)充電電壓和充電電流,避免因過(guò)充而導(dǎo)致鋰電池*性損壞;此外還需要設(shè)計(jì)鋰電池放電保護(hù)電路,對(duì)放電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),防止過(guò)放電導(dǎo)致鋰電池?fù)p壞。
  
  1、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介
  
  太陽(yáng)能供電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、可充電鋰電池、充電控制器和放電保護(hù)電路組成。由于太陽(yáng)能電池板的輸出電壓不穩(wěn)定,傳統(tǒng)的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)往往因?yàn)殇囯姵爻浞烹姽芾聿缓侠?,?dǎo)致鋰電池使用壽命大大縮短。本文提出了一種基于太陽(yáng)能的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)管理鋰電池的充電過(guò)程并進(jìn)行有效的能量?jī)?chǔ)存,通過(guò)對(duì)電池電壓的監(jiān)測(cè)避免鋰電池過(guò)度放電,以達(dá)到延長(zhǎng)鋰電池壽命的目的。此外由于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所需電壓為3.3V,而鋰電池的工作電壓一般在3.6~4.2V(正常放電電壓為3.7V,充滿電時(shí)的電壓為4.2V),所以需要DC-DC轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生所需要的工作電壓。
  
  對(duì)于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而言,首先要考慮的是低功耗。這里選用TI公司推出的*兼容ZigBee2007協(xié)議的SoC芯片CC2530,其工作電壓是3.3V。綜合考慮上述因素,提出如圖1所示的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)總體示意圖。
  
  該系統(tǒng)中,太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量通過(guò)充電管理電路被存儲(chǔ)在鋰電池中,同時(shí)對(duì)鋰電池提供充電保護(hù),防止過(guò)充;由于電池放電時(shí)其端電壓會(huì)逐漸降低,因此需要放電保護(hù)電路對(duì)放電電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)電池電壓下降到一定程度時(shí)切斷放電電路,避免鋰電池過(guò)放電。由于電源單元本身應(yīng)盡可能少地消耗電池能量,必須提高電源的轉(zhuǎn)換效率,因此設(shè)計(jì)了一個(gè)具有率的DC-DC轉(zhuǎn)換電路,為節(jié)點(diǎn)上的負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。
  
  2、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)
  
  太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)主要采用集成IC外加少量阻容器件的形式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路是:首先估算系統(tǒng)總功耗,然后選擇合適的鋰電池,進(jìn)而根據(jù)鋰電池的容量來(lái)選擇所需的太陽(yáng)能電池板;根據(jù)太陽(yáng)能電池板和鋰電池的充電電壓、充電電流等參數(shù),可以選擇合適的充電管理IC來(lái)設(shè)計(jì)充電控制電路;zui后根據(jù)鋰電池輸出電壓和ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所需的工作電壓來(lái)設(shè)計(jì)合適的DC-DC變換電路。
  
  2.1鋰電池的選取
  
  ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送期間所需的峰值電流為29mA,在數(shù)據(jù)接收期間所需的峰值電流為24mA。通常情況下,每個(gè)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)設(shè)計(jì)幾個(gè)傳感器。假設(shè)各種傳感器所需的工作電流為30mA,那么數(shù)據(jù)發(fā)送期間所需要的總電流為59mA,數(shù)據(jù)接收期間所需要的總電流為54mA,為了討論問(wèn)題方便,總電流取60mA,那么鋰電池可以選取容量為900mAh。表面上看,900mAh的鋰電池可以供該節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作時(shí)間為:900mAh/60mA=15小時(shí)。
  
  但是實(shí)際系統(tǒng)中,ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集一般是定時(shí)采集,例如采集溫度數(shù)據(jù),由于溫度變化減慢,所以可以定時(shí)采集,在此節(jié)點(diǎn)每小時(shí)工作50s,其他時(shí)間都在休眠(休眠時(shí)工作電流在μ*,所以可以忽略不計(jì))。
  
  那么實(shí)際情況是:系統(tǒng)采用容量為900mAh的鋰電池供電,節(jié)點(diǎn)工作電流為60mA,每小時(shí)工作50s,可以計(jì)算出容量為900mAh的鋰電池可供節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間為:1080小時(shí)=45天,即一個(gè)半月的時(shí)間。
  
  當(dāng)然上述討論也是一種典型情況,如果系統(tǒng)需要每小時(shí)使節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間大于50s,則每節(jié)鋰電池可以供節(jié)點(diǎn)工作的時(shí)間可能會(huì)縮短,這需要看具體的系統(tǒng)要求,但是一般情況下,選擇鋰電池時(shí)只需要能保證系統(tǒng)在充滿電后可以連續(xù)工作15~20天就可以滿足系統(tǒng)要求。這主要是考慮到我國(guó)部分南方地區(qū)在雨季可能連續(xù)半個(gè)月的時(shí)間不出太陽(yáng),這時(shí)就需要考慮適當(dāng)選取容量大一點(diǎn)的鋰電池。
  
  本設(shè)計(jì)所選用的是容量為900mAh的鋰電池,市場(chǎng)價(jià)在15~30元左右,該電池正常放電電壓為3.7V,充滿電后電壓為4.2V,一般正常丁作電壓為3.6~4.2V。
  
  2.2太陽(yáng)能板的選取
  
  選取太陽(yáng)能電池板時(shí)主要考慮太陽(yáng)能板的zui大輸出電壓和輸出電流。一般給鋰電池充電的電壓要大于4.2V,太陽(yáng)能板的輸出電流決定了充電時(shí)間。常用的太陽(yáng)能板主要有單晶和多晶電池板兩種,單晶板和多晶板的區(qū)別在于zui率的單晶電池片比zui率的多晶電池片效率高約1%。由于單晶的有刀角而并非完整的正方角,在使用中遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多晶,而且市場(chǎng)數(shù)量明顯少于多晶。同功率的單晶電池板價(jià)格要比同功率的多晶板高些。
  
  本文采用的是輸出電壓為5.5V,輸出電流為140~150mA的單晶太陽(yáng)能電池板,尺寸為95mm×95mm;主要是考慮到野外安裝時(shí),如果太陽(yáng)能電池板的體積太大不容易安裝。
  
  2.3充電管理電路設(shè)計(jì)
  
  充電管理電路連接著太陽(yáng)能電池板和鋰電池,主要功能是將收集到的能量有效地存儲(chǔ)在鋰電池中,同時(shí)提供對(duì)鋰電池充電過(guò)程中的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù),防止因過(guò)充對(duì)鋰電池造成的損害。上海如韻電子有限公司的CN3063芯片可以用于太陽(yáng)能電池供電的單節(jié)鋰電池充電管理芯片。該芯片內(nèi)部的8位模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換電路,能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流,用戶(hù)不需要考慮zui壞情況,可zui大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力,非常適用于太陽(yáng)能電池等電流輸出能力有限的靠電壓源供電的鋰電池充電的應(yīng)用。
  
  充電控制電路如圖2所示。
  
  當(dāng)太陽(yáng)能電池板輸入電壓大于低電壓檢測(cè)閾值和鋰電池端電壓時(shí),CN3063開(kāi)始對(duì)鋰電池進(jìn)行充電,引腳輸出低電平時(shí)紅色LED亮,表示充電正在進(jìn)行;當(dāng)充滿電后,引腳輸出低電平時(shí)綠色LED亮,表示充電完畢。
  
  zui大充電電流由ISET引腳的外接電阻決定,考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展需要,在本設(shè)計(jì)中,外接電阻R1取值為3.6kΩ,則充電電流為:
  
  這里需要注意一點(diǎn),雖然zui大充電電流設(shè)為500mA,但是當(dāng)使用單片太陽(yáng)能板時(shí),zui大輸出電流為150mA,此時(shí)CN3063芯片會(huì)自動(dòng)調(diào)整zui大允許充電電流為150mA,這就是“輸入限流模式”。在此模式下用戶(hù)只需要關(guān)注系統(tǒng)zui大充電電流即可,所以該芯片非常適合利用太陽(yáng)能電池等電流輸出能力有限的電壓源對(duì)鋰電池進(jìn)行充電的應(yīng)用。這里設(shè)計(jì)的zui大充電電流為500mA,主要是考慮到系統(tǒng)升級(jí)需要,比如某些場(chǎng)合下可以使用兩塊太陽(yáng)能板并聯(lián),則zui大充電電流可以達(dá)到300mA,此時(shí)系統(tǒng)硬件不需要改動(dòng)。
  
  鋰電池充電過(guò)程示意圖如圖3所示。
  
  鋰電池充電過(guò)程分析。當(dāng)FB端檢測(cè)到鋰電池端電壓低于3V時(shí),進(jìn)行預(yù)充電,此時(shí)充電電流為zui大充電電流的10%;當(dāng)FB端檢測(cè)到鋰電池端電壓大于3V時(shí),調(diào)整為恒流充電模式,同時(shí)自動(dòng)檢測(cè)鋰電池端電壓。當(dāng)鋰電池端電壓達(dá)到4.2V時(shí),自動(dòng)調(diào)整充電模式為恒壓充電模式,此時(shí)用小電流對(duì)鋰電池充電,主要是為了防止“虛充”,當(dāng)充電電流減小到充電結(jié)束閾值時(shí),充電周期結(jié)束。
  
  從整個(gè)充電過(guò)程分析可以看到,CN3063芯片可以自動(dòng)檢測(cè)充電電壓,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)充電模式,使得充電效率較高。因此,使用該芯片設(shè)計(jì)鋰電池充電電路較為簡(jiǎn)單,利于推廣應(yīng)用。
  
  2.4放電保護(hù)電路和系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)
  
  傳統(tǒng)的放電保護(hù)電路是使用一路ADC來(lái)不斷檢測(cè)電池電壓,當(dāng)電池電壓降低到一定程度時(shí)切斷放電電路。這在理論上是很容易實(shí)現(xiàn)的,但是在ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要定時(shí)查詢(xún)?cè)撀稟DC的數(shù)值,這在一定程度上也增加了系統(tǒng)的功耗。在此提出了一種使用電池端電壓檢測(cè)芯片CN301組成的鋰電池電壓檢測(cè)電路,無(wú)需系統(tǒng)軟件支持,*使用硬件電路來(lái)檢測(cè)電池端電壓,當(dāng)達(dá)到過(guò)度放電閾值時(shí),自動(dòng)切斷系統(tǒng)放電電路。

  
  放電保護(hù)電路如圖4所示。
  
  該電路工作原理分析:當(dāng)電池端電壓下降到過(guò)度放電低電壓檢測(cè)閾值時(shí),LBO引腳輸出低電平,NMOS管截止,PMOS管柵極為高電平,PMOS管截止,放電回路被切斷,起到了保護(hù)鋰電池過(guò)度放電的作用;當(dāng)太陽(yáng)能板自動(dòng)對(duì)鋰電池充電,充電電壓達(dá)到高電壓檢測(cè)闖值時(shí),LBO輸出高電平,NMOS管導(dǎo)通,PMOS管柵極為低電平,PMOS管導(dǎo)通,放電回路重新被打開(kāi),如果ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)時(shí)配置為上電后自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,那么該節(jié)點(diǎn)將會(huì)自動(dòng)加入到原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)中。
  
  鋰電池過(guò)度放電低電壓檢測(cè)閾值計(jì)算公式如下:
  
  其中,Vrth為該芯片設(shè)定的閾值,大小為1.135V;ILBI為引腳偏置電流范圍為-100~100nA,一般取0即可。因?yàn)樵撔酒ぷ麟娏髟?.8μA,所以對(duì)于電阻R1和R2的選型需要注意,應(yīng)當(dāng)選擇阻值大一些的電阻。筆者選用R1為2MΩ,R2為1MΩ,這樣流過(guò)電阻的電流在μ*,功耗很低。
  
  由于鋰電池電壓范同為3.6~4.2V,ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作電壓為3.3V,所以需要根據(jù)輸入/輸出的電壓差來(lái)選擇適當(dāng)?shù)腖DO芯片,同時(shí)還需要考慮LDO的靜態(tài)電流和效率。筆者采用RT9183-33PG芯片實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換,該芯片在輸出3.3V時(shí),所需要的壓差為110mV,靜態(tài)電流為:380μA。
  
  3、PCB布局注意事項(xiàng)
  
  在具體的PCB布局時(shí)需要注意以下問(wèn)題:
  
 ?、貱N3063的ISET引腳外接電阻R1(充電電流編程),應(yīng)盡可能靠地近CN3063。
  
 ?、贑N3063的VIN、BAT引腳的外接電容要盡可能地靠近CN3063。
  
 ?、蹫榱耸瓜到y(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)定的zui大充電電流,需要將CN3063背面裸露的金屬板焊接到PCB板的地端,以達(dá)到zui大的散熱效果;否則,在充電過(guò)程中,CN3063芯片的熱阻將增大,這將導(dǎo)致充電電流減小。一般采取的措施是PCB頂面放置焊盤(pán),接到CN3063的裸露的銅面上,為了便于焊接,可以放置4個(gè)小焊盤(pán),4個(gè)小焊盤(pán)的面積要略小于CN3063底部裸露銅片的面積,這樣既有利于焊接,又有利于芯片的散熱。
  
  4、結(jié)語(yǔ)
  
  電源的設(shè)計(jì)優(yōu)劣關(guān)乎系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗,本文以ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)為例進(jìn)行了講解,通過(guò)充電控制電路和放電保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池充放電的保護(hù)功能,延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命,非常適合于野外布置的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用,本文的分析方法也適用于其他需要太陽(yáng)能供電的系統(tǒng)。

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