光供能无线传感器网络能量管理电路及低功耗节点研究ppt课件.ppt

光供能无线传感器网络能量管理电路及低功耗节点研究 答辩人 李阳指导老师 朱永教授 主要内容 1 5 3 2 4 课题研究背景及内容 光供能能量管理电路基本原理 能量管理电路 实验结果及分析 总结与展望 无线传感器网络 WSN 越来越得到人们的青睐 应用环境广泛 无线传感器节点的能量供给其研究领域的关键问题之一 1 课题研究背景及内容 Energy 1 研究背景 为了解决这一难题 人们提出了自供能技术 它是一种通过采集周围环境中各种形态的能量来为传感器供能的技术 自供能技术 光能 声能 振动能 热能 1 课题研究背景及内容 本课题以激光主动供能作为研究背景 设计了激光主动供能条件下无线传感器节点能量管理电路 1 课题研究背景及内容 2 研究内容 激光主动供能系统示意图 将光能快速地储存在储能元件中 对储能元件中的电量实现瞬间释放 以达到无线传感器节点的功率需求 能量管理电路自身功耗要尽可能的小 使得更多的功率用来供给传感器节点工作 1 课题研究背景及内容 2 研究目的 2 光供能能量管理电路原理 太阳能电池 充电电路 放点电路 控制电路 放电 监控 On 传感器 Off 1 基本原理 从目前光供能能量管理电路研究现状来看 储能元件的选择和是否使用太阳能电池最大功率点追踪电路 MPPT 成为整体方案设计中需要重点考虑的两个方面 2 光供能能量管理电路原理 2 方案论证 储能元件 MPPT电路 2 方案论证 2 光供能能量管理电路原理 I 储能元件的选择 第一 超级电容充电速度快 这样就可以避免传感器节点因等待充电而耽误正常的工作 第二 传感器节点工作频繁 这就需要超级电容多次反复地进行充放电 而它高达几十万次的循环充电次数恰恰满足了传感器节点工作的需要 第三 超级电容的能量管理电路相对简单 有利于降低电路整体功耗 2 光供能能量管理电路原理 II 最大功率点追踪电路 MPPT 的使用 传统MPPT电路通常功耗很大 不适宜应用在低功耗能量管理电路 2 方案论证 2 光供能能量管理电路原理 2 光供能能量管理电路原理 II 最大功率点追踪电路 MPPT 的使用 2 方案论证 系统应用在激光主动供能条件下 由于光照强度在很长一段时间内没有明显变化 Vmp KVVoc 太阳能电池在最大功率点处的输出电压Vmp和开路电压Voc之间的关系关系可以近似为 3 能量管理电路 1 充电电路 3 能量管理电路 1 充电电路 3 能量管理电路 电容Cin充电等效电路 充电电路 3 能量管理电路 开关S1闭合后等效电路 1 充电电路 3 能量管理电路 开关S1断开后等效电路 1 充电电路 Cin放电阈值电压 1 05VmpCin充电阈值电压 0 95Vmp 3 能量管理电路 0 95Vmp Vsolar 1 05Vmp 为了控制功耗 模拟开关选用美国AD公司的ADG812 它工作时电源电压范围为1 65V 3 6V IN端输入高电平时 开关两端连接电路导通 导通电阻为0 5 ADG812的开关转换延迟小于25ns 其正常功耗小于0 1 W 3 能量管理电路 1 充电电路 3 能量管理电路 2 控制电路 在控制电路模块 比较器选用美国国家半导体公 NationalSemiconductor 的LPV7215 它是超低功耗的COMS集成电压比较器 正常工作电压范围为1 8V 5 5V 正常工作电流仅为580nA左右 可大致估算芯片功耗仅为几个微瓦 3 能量管理电路 2 控制电路 3 能量管理电路 2 控制电路 控制电路中选用的稳压器为日本精工仪器公司 SeikoInstrument 的S 1206B30 它是一款高精度低功耗的CMOS集成稳压器 其工作电流仅为1 A 功耗只有几个微瓦 转换效率最高高达90 提供稳定的5V输出电压 3 能量管理电路 3 放电电路 最高可提供600mA的输出电流正常功耗小于1mW 3 能量管理电路 3 放电电路 3 能量管理电路 3 电路实物图 4 实验结果及分析 1 充电电路实验结果 电容Cin与滞回比较器 4 实验结果及分析 1 充电电路实验结果 实验值 放电阈值电压VHe 2 718V充电阈值电压VLe 2 375V 理论值实验测得Voc 4V左右 Kv 0 65则理论上Vmp 2 6V放电阈值电压VH 1 05Vmp 2 73V充电阈值电压VL 0 95Vmp 2 47V 超级电容电压波形 4 实验结果及分析 1 充电电路实验结果 一个周期内超级电容充电波形 4 实验结果及分析 1 充电电路实验结果 电感的电压波形 1 充电电路实验结果 4 实验结果及分析 放电阈值电压 1 62V充电阈值电压 1 49V 4 实验结果及分析 2 放电电路实验结果 放电时间 T 620ms平均输出功率 337mW 5 总结与展望 通过设定前端电容的充放电阈值电压 使太阳能电池输出功率始终处在最大功率附近 提高了充电效率 放电电路可实现超级电容的瞬间放电 使其输出功率达到约300mW 相比于用太阳能电池直接供电时所能提供的几十微瓦功率 本次课题所设计的能量管理电路可以满足传感器节点的功率需求 在功耗方面 本电路采用了简化了MPPT电路 而且电路中采用的比较器 模拟开关 DC DC等集成电路