微型傳感器能量自捕獲電源系統(tǒng)

1、 微型傳感器能量自捕獲電源系統(tǒng)研究報告侯宏錄，張澤茜，周少鋒，張家超（西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，西安710021）1 課題研究的背景與意義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大多長時間工作在無人值守狀態(tài)，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點眾多、分布區(qū)域廣，且工作環(huán)境復(fù)雜，若采用更換電池的方式給節(jié)點補充能源，會導(dǎo)致由于能源補充不及時、或無法及時更換眾多的分布較廣的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電池而引起系統(tǒng)無法正常工作，影響信息獲取的可靠性。因此，電源供給將成為阻礙傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及應(yīng)用的瓶頸之一。隨著信息時代的到來，我們現(xiàn)實生活環(huán)境中會有越來越多的無線通信設(shè)備，例如中波/短波/調(diào)頻廣播、電視、手機、WiFi、藍(lán)牙等，這些設(shè)備都會向外界發(fā)射電磁波；另外，環(huán)境中存

2、在著大量由電氣設(shè)備自發(fā)輻射的雜散干擾信號，例如，如電機、開關(guān)電源等。這些電磁波幾乎分布在數(shù)十Hz 至數(shù)GHz 的所有頻段內(nèi)，因此環(huán)境中存在著無處不在、無時不有的電磁波。相比較于現(xiàn)有的各種環(huán)境能源，電磁波所攜帶的能量雖然微弱，但是具有能夠提供幾乎連續(xù)的永久電力，收集獲取這些“無用”電磁波作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能源，從本質(zhì)上就可解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對能源不間斷供給的需求，也符合政府倡導(dǎo)的節(jié)能減排、綠色能源的戰(zhàn)略。在該項目中,我們關(guān)注的是900MHz 手機電磁波段。我們已用從該波段中獲得的能量來供應(yīng)無線傳感器節(jié)點或其他應(yīng)用設(shè)備工作。這個供能方法尤其針對那些位于遙遠(yuǎn)區(qū)域且其他能源如太陽能和風(fēng)能不可行的傳感器節(jié)點。本文

3、的研究基于無線充電的傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用分析，主要從微型傳感器能量自捕獲系統(tǒng)設(shè)計方案、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計三個方面詳細(xì)闡述了微型傳感器能量自捕獲系統(tǒng)是如何實現(xiàn)的。2 國內(nèi)外研究概況在傳統(tǒng)能源日趨匱乏的大背景下，對于環(huán)境能源的開發(fā)利用顯得越來越重要。包括太陽能、風(fēng)能等綠色能源已較廣泛的被人利用，其產(chǎn)品也較為成熟?？墒鞘澜绺鲊鴮Νh(huán)境電磁能的研究利用仍處于起步階段。在國外，這項技術(shù)的研究起步較早。2010 年，日本的Hiroshi Nishimoto 嘗試收集電視信號能量給WSN供電，在距東京電視塔4 km 處收集到15 20 W的能量，并在為期7天的測試中證明了電視信號能量的穩(wěn)定性

4、。2011年，美國喬治亞理工學(xué)院(Georgia Instituteof Technology)的研究人員成功地將擷取自半公里遠(yuǎn)的電視發(fā)射臺電磁能量，驅(qū)動了一顆溫度傳感器。該研究團隊使用了一種超寬頻(ultra-wideband)天線，以利用來自不同頻段的各種訊號，也借此大大提高了能量收集能力。與此同時他們更將傳感器、天線與能量搜尋電路用噴墨印刷(inkjet printers)技術(shù)整合在紙張或是軟性聚合物上，使其更利于安裝與攜帶。2013年，加拿大卡爾頓大學(xué)學(xué)生Philip Khoury在其碩士論文中對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的整體以及各模塊設(shè)計做出了詳盡的理論介紹，尤其是在天線設(shè)計方面，他給出了

5、幾種接收效率極高的陣列天線，可惜由于設(shè)計太復(fù)雜、工藝太難，我們只好放棄了這幾種天線的設(shè)計。而我國對這項技術(shù)的研究幾乎都處于理論階段。2011年，西安電子科技大學(xué)的幾位研究者利用810KHz的AM波段電磁能為傳感器供電，該方案的研究最終也未能做出實物。2012年，浙江大學(xué)的學(xué)生江發(fā)昌在其碩士論文提出了一套完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計方案，針對的接收波段是915MHz的高頻信號，只是未能實現(xiàn)僅利用環(huán)境電磁能為節(jié)點供電的設(shè)想。3 課題研究的主要內(nèi)容該項目針對微型傳感器能量自捕獲電源系統(tǒng)的研究，分別從系統(tǒng)總體方案的設(shè)計與選擇、電源系統(tǒng)硬件電路設(shè)計及軟件設(shè)計三個方面進(jìn)行深入的研究，主要工作內(nèi)容如下

6、:（1）確定系統(tǒng)總體的設(shè)計方案。由于無論在國內(nèi)外，該系統(tǒng)的研究都處于起步階段，可供參考的成熟的總體設(shè)計方案幾乎沒有，許多方案細(xì)節(jié)需要我們自己摸索論證。（2）系統(tǒng)原理樣機的搭建與驗證。在論證過理論上的可行性后，進(jìn)行實踐性的實際操作是必不可少的。在實際電路設(shè)計過程中，我們首要研究超波譜（數(shù)十Hz-GHz）電磁能感應(yīng)天線結(jié)構(gòu)、尺寸、材料特性，以及陣列設(shè)計；隨后就是解決微弱信號的自動升壓問題；最后針對超波譜范圍內(nèi)信號幅度與頻率的特性，研究自組織尋優(yōu)充電技術(shù)與模塊動態(tài)管理。在上述基礎(chǔ)上完成硬件電路板制作。（3）完成電源系統(tǒng)軟件電路設(shè)計。深入了解MSP430系列芯片的編程原理，掌握其開發(fā)環(huán)境，最終實現(xiàn)一定

7、的休眠/喚醒機制。4 課題研究的方法4.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案系統(tǒng)整體設(shè)計方案的提出是項目實施的前提，是整個工作的起始。該系統(tǒng)設(shè)計方案的研究主要圍繞兩個方面問題：一是環(huán)境中射頻能量的分析，并以此為基礎(chǔ)確定系統(tǒng)利用的電磁波波段；二是考慮在無源情況下僅靠系統(tǒng)接收的能量能否確保整流二極管可以正常工作（即接收電壓能否高于開啟電壓）。4.1.1環(huán)境射頻能量分析環(huán)境射頻能量分析是天線模塊設(shè)計乃至系統(tǒng)整體設(shè)計的基礎(chǔ)，由于缺乏可以測量環(huán)境射頻能量密度的儀器，所以我們只能從其他文獻(xiàn)上借鑒環(huán)境射頻能量分布的數(shù)據(jù)。如圖4.1所示，文獻(xiàn)？為我們提供了在城市環(huán)境中，從數(shù)百kHz的AM廣播信號到2.4GHz的ISM信號間所有

8、射頻波段的能量分布數(shù)據(jù)?？梢钥闯鰣D中反映出有幾個峰值點，即為功率較大的幾個射頻波段，其中包括AM和GSM等頻段，如頻率為900MHz和1800MHz的GSM信號。圖4.1環(huán)境電磁波能量頻譜圖文獻(xiàn)？展示了對城市環(huán)境中不同時間段內(nèi)電磁波能量密度分布情況。如圖4.2所示，橫軸為頻率，縱軸為時間，頻段為680MHz-3.5GHz，結(jié)果證實能量密度在-60dBm/m2到-14.5dBm/m2（1nW/m到35.5uW/m），隨時間基本穩(wěn)定。最大能量密度值始終出現(xiàn)在1.8GHz-1.9GHz頻段。圖4.2 不同時刻環(huán)境中電磁能量密度考慮到上述情況，為了微型傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電源更好的工作，我們應(yīng)從功率較大的A

9、M波段或GSM波段中選取應(yīng)用電磁波。AM波段即為俗稱的廣播波段，雖然在城市環(huán)境中能量密度較大，但是在無人區(qū)并沒有分布，同時我們設(shè)計的系統(tǒng)必須具有在無人區(qū)仍能工作的性能，所以只能考慮分布更廣的GSM波段及通訊波段。在該波段中，眾所周知的是900MHz的手機通訊頻率，隨著信息時代的到來，手機信號的覆蓋區(qū)域越來越全面。所以綜上所述，我們最終選定頻率為900MHz的電磁波作為能量來源。4.1.2系統(tǒng)總體設(shè)計思路在確定了接收波段后，系統(tǒng)總方案的設(shè)計已有了大方向，但是考慮到系統(tǒng)接到的能量極其微弱甚至只有W 級，所以為了應(yīng)對這種情況，我分別設(shè)計了以下三種總體方案。方案一：天線接收模塊直接與整流電路相連，再經(jīng)

10、過儲能及微處理器模塊。該方案實現(xiàn)的前提就是天線接收到的射頻能量足以驅(qū)動整流二極管。方案二：當(dāng)天線接收到的的能量并不足以驅(qū)動二極管時，可以考慮加裝一個臨時電源，將電路驅(qū)動起來之后，再將其撤掉，讓系統(tǒng)自主運作起來。方案三：同樣當(dāng)天線接收到的的能量并不足以驅(qū)動二極管時，還可以考慮先倍壓再整流，就是將接收天線輸出的電壓量先升至一定大小，令其足以開啟二極管。經(jīng)過我們詳細(xì)的分析及論證后，第三種方案首先行不通，因為如果先倍壓再整流的話，我們將直接面臨高頻率交流電升壓的問題。可是對于交流電的升壓我們目前掌握的方法僅有用互感變壓器一種，不過互感變壓器的最高響應(yīng)頻率只有10MHz 左右，并不滿足系統(tǒng)設(shè)計。至于第二

11、種方案雖然可行，但是不免有人會對該電源設(shè)備的自主供電能力提出質(zhì)疑，因為系統(tǒng)中有儲能元件的存在，臨時電源的加裝勢必會為儲能元件存留一部分電能，所以電源系統(tǒng)的工作能力無法得到很好地展示。而且以上我也提到過許多在無源情況下系統(tǒng)成功工作的例子，所以我決定先使用第一種方案，將第二種方案作為備選方案。以下我就主要介紹一下第一種方案的設(shè)計思路及整體框圖。如圖4.3所示，即為微型傳感器能量自捕獲電源系統(tǒng)總體框架圖。其整體設(shè)計思路為：先由天線接收環(huán)境電磁波，經(jīng)過相應(yīng)的阻抗匹配電路，再進(jìn)入整流電路，將交流電轉(zhuǎn)化為直流，濾去雜波后。通過一定的升壓技術(shù)將原本微弱的電壓信號升至所需電壓，并將電能存儲進(jìn)陶瓷電容中。在存儲

12、電容為負(fù)載充電的同時，也為處理器提供電能。由于處理器工作期間耗電量較大，所以通常處于休眠狀態(tài)，待需要其工作時，將其喚醒20ms，完成數(shù)據(jù)傳送再立馬休眠。接收到MCU送來的數(shù)據(jù)信號后，射頻收發(fā)模塊會將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收端子，以顯示數(shù)據(jù)。同樣射頻收發(fā)芯片也需要相應(yīng)的休眠機制。圖4.3 系統(tǒng)整體設(shè)計方框圖4.2天線模塊設(shè)計天線設(shè)計的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)能否工作，所以說天線設(shè)計是該課題研究的重中之重。在選定好接收波段的情況下，我們還需對天線的選型及尺寸設(shè)計進(jìn)行談?wù)?，并完成仿真設(shè)計優(yōu)化。4.2.1天線的選型自馬可尼和赫茲發(fā)明了天線以來，天線技術(shù)經(jīng)過了100多年的發(fā)展，到目前為止，天線的類型可謂是五花八門，種類

13、繁多，形式多樣不勝枚舉。一般按對天線的分析方法來分共有三大類:a.線天線：指天線結(jié)構(gòu)具有線狀結(jié)構(gòu)特點，而且金屬導(dǎo)線半徑遠(yuǎn)小于波長的天線。如:振子天線、環(huán)天線、螺旋天線等；b.面天線或稱口徑天線：指電磁波通過一定口徑向外輻射的天線。如：喇叭天線、板狀天線、角反射天線、拋物面天線、柵格天線、卡塞格倫天線等；c.天線陣:指天線的輻射單元按一定規(guī)律排列和激勵(或稱饋電，指饋給每個輻射單元信號的幅度和相位)的天線群體。如:美國愛國者導(dǎo)彈中的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、美F-22戰(zhàn)機和俄米格-35戰(zhàn)機的機載相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、預(yù)警機、導(dǎo)彈和空間分集移動通信系統(tǒng)等。目前天線正廣泛應(yīng)用于通信的各個領(lǐng)域，如微波通信天線、衛(wèi)星通

14、信天線、微波器件天線、無線公話天線、及應(yīng)用于汽車上的移動數(shù)字電視天線等。從頻段上來講，已經(jīng)研制出用于GSM/CDMA，GPRS,PHS，CDMA2000，3G，DECT，WLAN，WCDMA,TSCDMA等領(lǐng)域的天線。各種內(nèi)置和外置的天線廣泛用于手機、無線公話、無線商務(wù)電話、電腦筆記本PC卡、車載電話、無線模塊以及其他無線終端。其中微帶天線屬于線天線的一種，是目前應(yīng)用較廣泛的一種天線形式。它利用微帶線或者同軸線等饋電，在導(dǎo)體貼片與地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板之間的縫隙向外輻射。因此，微帶大線也可以看作是一種縫隙天線。通常介質(zhì)基片的厚度與波長相比是很小的，因而它實現(xiàn)了一維小型

15、化，屬于小天線的一類，符合系統(tǒng)設(shè)計便攜性的要求。4.2.2 印刷偶極子天線圖4.4所示為設(shè)計的微帶巴倫饋線印刷偶極子天線的結(jié)構(gòu)模型，該天線屬于半波偶極子天線的變形也是微帶天線的一種。整個天線結(jié)構(gòu)大致可以分為5部分，即介質(zhì)層、偶極子天線臂、微帶巴倫線、微帶傳輸線和天線饋電面。圖4.4 印刷偶極子天線的結(jié)構(gòu)模型介質(zhì)層的材質(zhì)為環(huán)氧樹脂玻璃纖維板(FR4)，其相對介電常數(shù)=4.4。在介質(zhì)層的兩面分別敷有良導(dǎo)體的金屬傳輸線，構(gòu)成偶極子天線的兩個臂、微帶傳輸線和微帶巴倫線。激勵信號從天線饋電點處饋入，經(jīng)過微帶巴倫結(jié)構(gòu)和微帶傳輸線傳輸?shù)脚紭O子天線的兩個臂。在微帶傳輸線上，電流方向相反，因此不會輻射電磁波。在

16、偶極子天線的兩個臂上，金屬片的電流方向相同，因此會輻射電磁波。由半波偶極子天線的理論分析可知，天線兩個臂的總長度約為1/2個工作波長。偶極子天線是一個對稱結(jié)構(gòu)，傳輸線上的饋電電流必須是對稱分布的。若是饋線采用雙傳輸線結(jié)構(gòu)，因為雙傳輸線的電流為對稱分布，所以天線的電流亦為對稱分布。然而，若是饋線采用同軸線結(jié)構(gòu)，因為同軸線內(nèi)外導(dǎo)體并不對稱，所以天線上的電流也不會對稱分布，從而會影響天線的性能。為了保證偶極子天線上電流的平衡，通常在天線和同軸線之間插入一個不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換器，即微波巴倫，它可以將不平衡的電流轉(zhuǎn)換成平衡的電流。圖4.4中的三角形結(jié)構(gòu)就是一個簡單的微波巴倫，它可以實現(xiàn)不平衡到平衡的轉(zhuǎn)換

17、。設(shè)計天線的中心頻率為915MHz，若在自由空間中傳播，對應(yīng)的工作波長約為328 mm。 （4.1）若在全部填充以FR4材質(zhì)的介質(zhì)中傳播，其對應(yīng)的工作波長約為156mm。 （4.2）若我們采用自由空間波長，則半波偶極子的長度約為164 mm。若我們采用介質(zhì)中的波長，則半波偶極子的長度約為78mm。因為印刷偶極子天線同時包含介質(zhì)與自由空間，所以實際的半波偶極子的長度應(yīng)該介于78 mm和164mm之間，我們?nèi)《叩钠骄?21mm作為半波偶極子長度的初始值，然后再使用軟件仿真分析出半波偶極子長度的實際值。我們知道半波偶極子天線的輸入阻抗約為73.2，而饋電端口同軸線的特性阻抗一般是50，若將同軸線

18、直接連接至半波偶極子天線上，就會有阻抗不匹配的問題。三角形微帶巴倫和微帶傳輸線一起起到阻抗轉(zhuǎn)換的作用，其作用相當(dāng)于1/4波長阻抗轉(zhuǎn)換器，可以調(diào)節(jié)傳輸線的長度和三角形的大小，還可以調(diào)整饋電面的輸入阻抗。在設(shè)其初始值時，兩個直角邊的長度分別取12mm和10mm，金屬片的寬帶初始值都取3mm。4.2.3天線仿真我們采用的仿真軟件是Ansoft公司的HFSS v10版本（如圖4.5所示為HSFF的界面）。HFSS是基于物理原型的EDA設(shè)計軟件，主要應(yīng)用于射頻和微波器件設(shè)計，天線、陣列天線和饋源設(shè)計，高頻IC設(shè)計，高速封裝設(shè)計，高速PCB板和RF PCB板設(shè)計。對于任意三維高頻微波器件，如波導(dǎo)、濾波器、

19、耦合器、連接器、鐵氧體器件和諧振腔等，HFSS都能提供工具實現(xiàn)S參數(shù)提取、產(chǎn)品調(diào)試及優(yōu)化，最終達(dá)到制造要求。圖4.5 HFSS天線仿真界面如圖4.6所示為使用HFSS進(jìn)行天線設(shè)計的簡要流程，設(shè)計流程中各個步驟功能分述如下。1、設(shè)置求解類型，在天線設(shè)計中可以選擇模式求解類型或終端驅(qū)動求解類型。2、創(chuàng)建天線結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)天線的初始尺寸和結(jié)構(gòu)，在HFSS模型窗口中創(chuàng)建出天線的HFSS參數(shù)化設(shè)計模型。另外，HFSS也可以直接導(dǎo)入由AutoCAD、Pro/E等第三方軟件創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)模型。3、設(shè)置邊界條件。在HFSS中，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一般設(shè)定為理想邊界條件（PerfectE）或者有限導(dǎo)體邊界條件。使用HFSS設(shè)計

20、天線時，還必須在輻射體的外側(cè)正確設(shè)置輻射邊界條件或者理想匹配層（PML）邊界條件，這樣HFSS才可以計算天線的遠(yuǎn)區(qū)場。4、設(shè)置激勵方式。天線必須通過傳輸線或者波導(dǎo)傳輸信號，天線與傳輸線或者波導(dǎo)的連接處即為饋電面或者稱為激勵端口。天線設(shè)計中饋電面的激勵方式主要由兩種，分別是波端口激勵（Wave Port）和集總端口激勵（Lumped Port）。5、設(shè)置求解參數(shù)，包括設(shè)定求解頻率和掃頻參數(shù)，其中，求解頻率通常設(shè)定為天線的中心工作頻率。6、運行求解分析。上述操作完成后，即創(chuàng)建好天線模型，正確設(shè)置了邊界條件、激勵方式和求解參數(shù)，即可執(zhí)行求解分析操作命令來運行仿真計算。整個仿真計算由HFSS軟件自動完

21、成，不需要人工干預(yù)。分析完成后，如果結(jié)果不收斂，則需要重新設(shè)置求解參數(shù)；如果結(jié)果收斂，則說明計算結(jié)果達(dá)到了設(shè)定的精度要求。7、查看求解結(jié)果。求解分析完成后，在數(shù)據(jù)處理部分可以查看HFSS分析出的天線的各項性能參數(shù)，如回波損耗S11、電壓駐波比VSWR、輸入阻抗、天線方向圖、軸比和電流分布等。如果仿真計算的天線性能滿足設(shè)計要求，那么已經(jīng)完成了天線的仿真設(shè)計，此時可以著手制作、調(diào)試實際的天線了。如果仿真設(shè)計的天線性能未能達(dá)到設(shè)計要求，那么還需要使用HFSS的參數(shù)掃描分析功能或者優(yōu)化設(shè)計功能，進(jìn)行參數(shù)掃描分析和優(yōu)化設(shè)計。圖4.6 HFSS天線設(shè)計流程經(jīng)過一系列仿真優(yōu)化后，我們得到了偶極子天線的優(yōu)化尺

22、寸及其圖形數(shù)據(jù)。如圖4.7所示即為該偶極子天線的回波損耗隨頻率變化曲線。從圖中我們可以看出，該偶極子天線的中心頻率為915MHz，在這一頻率上天線的入射端反射系數(shù)為-26.52dB。圖4.7 回波損耗隨頻率變化曲線如圖4.8所示為天線的方向圖。天線方向圖，是指在離天線一定距離處，輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變化的圖形，圖4.8為天線的立體方向圖，方向圖上任意一點的角度對應(yīng)了實際輻射的角度，而對應(yīng)點的矢徑對應(yīng)該方向上的輻射場大小。從圖上可以看出，天線陣的主要輻射方向集中在Z方向上，這是因為偶極子天線本身的最大輻射方向在垂直于振子的方向上，所以，最大輻射方向在Z方向上，而Y方向上輻射最小。

23、圖4.8印刷偶極子天線的立體方向圖為了實現(xiàn)阻抗匹配，獲得最大能量利用效率，我們希望輸入阻抗和輸入傳輸線的特性阻抗相等或者盡可能接近。從圖4.9中可以得出，在中心頻率915MHz時，阻抗的實部為46.46，表示了部分的能量發(fā)熱損耗，虛部為2.03，表示有小部分的能量的反射損耗，整體輸入阻抗Zin=46.46+j2.03，雖然沒有達(dá)到50歐姆的完全匹配，但是匹配結(jié)果已經(jīng)比較良好，這也對應(yīng)了前面的入射端反射系數(shù)的表現(xiàn)。圖4.9 輸入阻抗曲線4.3整流升壓模塊對于大多數(shù)人來說升壓意味著使用傳統(tǒng)變壓器升壓。但是這一方案顯然不是用于該系統(tǒng)，主要原因有兩個：一是體積過大，不符合設(shè)計要求；二是沒有可以響應(yīng)90

24、0MHz高頻信號的變壓器。于是本節(jié)我將提出另外兩種整流倍壓的方案：倍壓整流電路以及整流橋加升壓芯片。4.3.1倍壓整流電路原理射頻能量收集系統(tǒng)在離發(fā)射源幾米的情況，傳入的信號電平是只有mV這個量級。因此,半波和全波二極管整流器這種典型，在用于高頻或超高頻應(yīng)用時不能產(chǎn)生足夠的直流電能。無源超高頻能量收集需要低開啟電壓肖特基二極管或低/零V金屬氧化物半導(dǎo)體作為整流器件。一個肖特基二極管電壓與電流之間有指數(shù)關(guān)系，而一個金屬氧化物半導(dǎo)體則是平方律關(guān)系。選擇使用一個肖特基器件還是低/零V金屬氧化物半導(dǎo)體取決于系統(tǒng)的要求，成本和MOS閾值電壓變化還有肖特基二極管開啟電壓變化等多個因素。在這里我們主要分析使

25、用肖特基二極管這種情況。不管使用哪種類型的器件,基本的結(jié)構(gòu)多級整流倍壓電路都是非常類似于迪克森電荷泵這種結(jié)構(gòu)。下圖4.10為一個原始迪克森電荷泵結(jié)構(gòu),進(jìn)行變換之后可用于超高頻能量收集系統(tǒng)中的整流倍壓電路。圖4.10 迪克森電荷泵和改進(jìn)型迪克森電荷泵這個迪克森架構(gòu),最初在1976年提出,是有針對性的對電荷泵,也稱為直流直流轉(zhuǎn)換器,其中輸入驅(qū)動是一個低阻抗電壓源。圖4.10上部分給出了一個產(chǎn)生正向高壓的n級Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)。CLK和nCLK是幅度為V，頻率為f，的兩相不交疊時鐘信號。通常情況下V和電源電壓的值相等。由于二極管的單向?qū)ㄌ匦?，隨著兩時鐘的交替變化，電荷被沿著一個方向傳輸?shù)捷敵?/p>

26、節(jié)點。在n級Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)中，每一個時鐘周期結(jié)束后，第n個節(jié)點和(n+1)個節(jié)點的電壓差可寫為： Vn+1-Vn=V-VT-VL （4.3）V是從時鐘耦合到每個節(jié)點的電壓幅度, VL為當(dāng)電荷泵在提供負(fù)載電流時,電容被充放電的電壓幅度。每個節(jié)點上時鐘耦合電容C和寄生電容CS均有如下關(guān)系： V=CC+CSV （4.4）每個時鐘周期內(nèi)，通過每個二極管的總電荷為(C+CS)VL，則電荷泵在一定的時鐘頻率下所能提供的輸出電流為： I0=(C+CS)fVL （4.5）由此可以推導(dǎo)出每一級為輸出節(jié)點貢獻(xiàn)的電壓為：V=VCC+CS- VT- I0f(C+CS) （4.6）即電荷泵的輸出電壓為： VO

27、UT=VIN+nV- VT （4.7） VOUT=VIN+V(CC+CS)- VT- I0f(C+CS) - VT （4.8） 其中，n為電荷泵的級數(shù)。根據(jù)上述分析，理論上只要增加級數(shù)n的值，就可以在輸出端得到任意高的輸出電壓。通常，采用二極管連接的NMOS管實現(xiàn)Dickson電荷泵中的二極管功能，從而改進(jìn)二極管的可控性，降低制造過程中的難度。因此，式中VT，要用晶體管的閾值電壓代替。然而這種結(jié)構(gòu)也存在一個潛在的問題，即由于二極管連接的NMOS管的襯底均接地，隨著電荷泵各節(jié)點電壓的逐級升高，晶體管源端電壓逐級升高，NMOS管的襯偏電壓逐漸增大，根據(jù)晶體管體效應(yīng)原理，NMOS管的閾值電壓會隨著襯

28、偏電壓的增加而增加，從而輸出端得到的輸出電壓小于Dickson電荷泵的理論分析值，而且隨著電荷泵級數(shù)n的增加體效應(yīng)的影響越來越明顯，使得實際電荷泵的性能不再與理論分析一致，而是隨著n的增加，輸出端最終會有一個極限值。因為能量收集系統(tǒng)所選取915MHz頻率遠(yuǎn)高于當(dāng)初迪克森電荷泵的工作頻率，我們通過修改迪克森電荷泵，使它能達(dá)到我們的設(shè)計要求。如上圖4.10下部分所示我們通過將傳統(tǒng)迪克森電荷泵的VN和nCLK連接到GND，將CLK連接到一個交流信號上，這樣就可以實現(xiàn)無源的整流升壓。這種方案也是目前射頻識別卡中普遍采用的方法，同樣也是我們能量收集系統(tǒng)所采用的方案。下面對單級整流倍壓電路原理進(jìn)行一個分析

29、，如下圖4.11所示為單級整流被壓電路及輸入輸出電壓特征。圖4.11 單級整流被壓電路及輸入輸出電壓特征二極管D1和電容C1為A點的電壓建立了一個DC參考。每當(dāng)D1導(dǎo)通A點的電壓為負(fù)極性，將會為C1進(jìn)行充電來阻礙A點的電壓變?yōu)樨?fù)極性。如果所有的器件都是理想的，那A點的電壓是Vin+Vin（V1在圖3.4（b）。D2將A點的電壓進(jìn)行整流，C2將保持輸出電壓(Vout)峰值V1。因此，整流器的開路電壓是一個DC電壓并且為2Vin。工作在穩(wěn)態(tài)，Iout是從C2流出，當(dāng)C2的電壓低于V時，電容會再次充電。Vin通常在毫伏級別，所以人們?yōu)榱说玫揭粋€更高的輸出電壓，常常將該電路進(jìn)行N級連接。對于一個N級的

30、電路，開路電壓Vout是： Vout=2NVin （4.9）對于一個無損的理想整流器來說，輸入功率（Pin）等于輸出功率（Pout），而電阻Rin可以用如下公式計算： Rin=Vin22Pin=Vout2Pout 18N2=Rload8N2 （4.10）因此，對于固定的Rload，隨著N的增長，Rin減小。對于一個匹配了的Rin=Rant，最佳的Rload值隨著N的增加而增加。當(dāng)我們考慮二極管開啟電壓（VT）此時的開路電壓（OCV）是： Vout=2N(Vin-VT) （4.11）但上述分析也只是在理想情況下得到的，對于這種影響因素比較多，模型比較復(fù)雜的電路目前還沒有一個比較精確的數(shù)學(xué)分析。因

31、此只能使用模擬和實驗的方法來進(jìn)行設(shè)計。4.3.2倍壓整理電路設(shè)計與仿真經(jīng)過初步計算，我們計劃使用四級倍壓整流電路。但是該電路是否有效或者說是否可以倍壓至目標(biāo)電壓，我們?nèi)孕璺抡婧蟛拍芟露ㄕ?。下面是我們對四級的整流升壓電路進(jìn)行仿真。我們使用是Multisim仿真軟件，它是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進(jìn)行仿真。如圖4.12所示為我們的設(shè)計原理圖。將其繪制在Multisim軟件中，

32、即可對我們的電路進(jìn)行仿真。圖4.11 設(shè)計的原理圖在這里我們通過函數(shù)發(fā)生器來模仿天線接收到的915MHz電磁波，將其設(shè)置為正弦波，占空比調(diào)為50%,幅度我們從200mV開始取，每隔50mV仿真一組數(shù)據(jù)，一直取到1000mV,其中輸出電壓中的輸出電壓最高值，最低值，平均值都是在電路工作1s時測得到的，下面是我們對本次仿真數(shù)據(jù)的記錄，如表4.1所示：表4.1 仿真數(shù)據(jù)記錄輸入電壓峰值（mV）輸出電壓最高值（V）輸出電壓最低值（V）輸出電壓平均值（V）2000.8610.8140.83752501.1541.0871.12053001.4551.3811.41803501.7401.6981.719

33、04002.0241.9731.99854502.3922.2712.33155002.7052.5902.64755503.0282.8952.96156003.3573.2043.28056503.6473.5553.60107004.0043.8593.93157504.3424.2024.27208004.6744.4794.57658505.0054.8424.92359005.3405.1275.23359505.6675.4665.566510006.0165.8285.9220對上表的數(shù)據(jù)我們進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，整個電壓的升壓效果隨著輸入電壓的增加而不斷增加，如下圖4.12所示為輸入

34、電壓與升壓之后電壓與輸入電壓之比的圖，其中橫坐標(biāo)為輸入電壓的幅值大小，單位為伏（V）；縱坐標(biāo)為輸出電壓與輸入電壓值比。圖4.12 輸入電壓與電壓升高倍數(shù)從表4.1中我們可以很明了的發(fā)現(xiàn)，隨著輸入電壓的升高，輸出電壓與輸入電壓的比值在不斷的增長，但在這里肯定不會超過輸出電壓與輸入電壓的比為8這個值。在這里如果不考慮二極管的導(dǎo)通電壓及電容漏電流的情況下，理論上輸出電壓與輸入電壓的比為8，但這種情況在現(xiàn)實中是不可能發(fā)生的。但這里二極管的導(dǎo)通電壓基本上是穩(wěn)定在一定范圍的，因此二極管上面電壓的損失是一個較穩(wěn)定的值，所以隨著輸入電壓的升高，電路的升壓效果會明顯提高。4.3.3 橋式整流加升壓芯片橋式整流電

35、路是最經(jīng)典的整流方式，說起整流大部分人第一個想到的就是它。這一方案就是先用橋式整流電路將交流信號變?yōu)橹绷鳎儆靡环N倍壓芯片將電壓值升上來（原理圖如圖4.13所示）。顯然這種芯片必須具備低工作電壓以及低功耗的性能，凌力爾特公司生產(chǎn)的LTC3108 升壓芯片正好滿足我們的需要。LTC3108 是一款高度集成的DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它所采用的升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可在輸入電壓低至20mV 的情況下正常運作，并可以輸出四種穩(wěn)壓電壓，分別為2.35V、3.3V、4.1V 及5V，且它的靜態(tài)電流也僅為6A。這些特性使之非常適合于收集和管理來自諸如TEG (熱電發(fā)生器)、熱電堆和小型太陽能電池等極低輸入電壓電源的剩余

36、能量。另外LTC3108 自身的電源管理系統(tǒng)也可以很好的對我們所收集到的能量進(jìn)行管理，所以該芯片的性能在理論分析中基本上可以滿足我們的要求。但是該方案存在兩個問題：一是該方案的功耗在理論上會比第一種方案的高；二是LTC3108 的工作需要一種特殊的變壓器，而該變壓器幾乎找不到供貨商。所以我們將該方案作為備選方案。圖4.13 基于LTC3108的升壓電路原理圖4.3.4 整流二極管SMS7630-079在上述兩種方案中，所有二極管都選用型號為SMS7630-079的肖特基二極管。我前文提到過，由于該系統(tǒng)收集到的環(huán)境電磁能極為微弱，所以接收到的電壓能否大于整流二極管的開啟電壓都成問題。所以我們必須

37、找到一種開啟電壓極低的肖特基二極管。我們找到的這一型號二極管，它的開啟電壓與輸入功率成正比（圖4.14），在900MHz 頻率下，當(dāng)輸入功率為1W 時，其開啟電壓僅為10mV。圖4.14 SMS7630-079 輸入功率與開啟電壓關(guān)系圖4.4 儲能模塊儲能技術(shù)（Energy Storage Technique）在能量的供應(yīng)和需求之間往往存在著差異，利用特殊裝置和技術(shù)手段，在能量富余的時候把能量儲存起來，在能量不足時釋放出來，以調(diào)節(jié)能量供求在時間、強度和形態(tài)上的不匹配。儲能技術(shù)是合理、高效、清潔利用能源的重要手段。4.4.1 主要的儲能方式目前的儲能方式大致分為：機械儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能。

38、下面我將一一做分析比較。1）機械儲能機械儲能是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能后儲存起來，在需要的時候?qū)⑵湓俎D(zhuǎn)換為電能，通常情況下機械儲能用于電網(wǎng)，不符合設(shè)計便攜性微小型的要求。2）化學(xué)儲能化學(xué)儲能又分為鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等。其中鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的，可是并不適合該系統(tǒng)的設(shè)計要求。3）電磁儲能電磁儲能包括超導(dǎo)儲能、電容儲能等，其中電容儲能的應(yīng)用較為廣泛，就針對該系統(tǒng)設(shè)計而言，超級電容儲能方式是最直觀也是最廉價的方案。4.4.2 充電電池儲能充電電池儲能屬于化學(xué)儲能的一種。在我們掌握的資料中，有一款充電電池具有非常優(yōu)越的性能，非常適合該系統(tǒng)的工作要求。那就是2009年6月

39、美國科羅拉多州一家創(chuàng)新固態(tài)可充式薄膜微能量電池制造商Infinite Power Solutions公司（簡稱IPS）推出的THINERGY系列微能量電池（MEC，Micro-Energy Cell），該電池與其他同尺寸電池相比，擁有最強大的蓄電力，其效能更超越其他一次性或可充式微型電池。THINERGY MEC在生命周期內(nèi)反覆充電，能提供十多個小時的瓦特電力，其能量相當(dāng)于，甚至高于容量大上數(shù)百倍的傳統(tǒng)電池。若與環(huán)境的能源相結(jié)合，THINERGY MEC能為無線感測器節(jié)點及其他微型系統(tǒng)提供永久電力并實現(xiàn)十年以上的免維修運作。也因此，這款獨特的系列產(chǎn)品意味著一個消弭電池與超級電容間性能差異的新形

40、態(tài)電子元件，即將誕生。事實上，THINERGYMEC具備前所未有的放電電流，因此它是第一款可在許多應(yīng)用中取代超級電容的電池技術(shù)。其重要特色包括：（1）其他解決方案無法比擬的超薄及高彈性封裝；（2）可深層嵌入并層壓至印刷電路板或其他材料中；（3）在僅有數(shù)百奈米安培（nanoAmps）的充電電流下，仍能順暢充電；（4）超低漏電率，每年的回充損耗率不到1%；（5）極廣的運作溫度范圍，超越絕大多數(shù)其他電池。雖然該款電池具有諸多的優(yōu)點，但由于成本問題，我們最終放棄了這一方案，希望在后續(xù)完善系統(tǒng)時可是加以考慮。4.4.3 超級電容超級電容器是根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成的，可提供強大的脈沖功率，充電時處于

41、理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。超級電容的容量可以達(dá)到法拉級別，它能夠滿足功耗稍高的傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，電力系統(tǒng)中多用于短時間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量峰值功率場合，如大功率直流電機的啟動支撐、態(tài)電壓恢復(fù)器等，在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。4.5 微處理器模塊在無源系統(tǒng)中，微處理器重要的特性就是要低功耗，而TI公司的MSP430系列的單片機就是微功耗芯片的代表。該芯片除低功耗外還具備精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。并可針對實際應(yīng)用需求，將多個不同功能的模擬電

42、路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片機”解決方案。該系列單片機多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。4.5.1 MSP430單片機型號選擇針對該系統(tǒng)的低功耗、便攜性的要求，選取MSP430具體型號的原則有以下幾點：體積盡可能的小、自帶溫度傳感器、自帶同步SPI、功耗盡可能的低等，其中溫度傳感器和SPI是為了方便課題后續(xù)的研究。從這幾點出發(fā)選擇了MSP430F2013（如圖4.15所示為MSP430F2013的管腳圖）。該芯片的一般特征如下：（1）MSP430F2013的電源電壓范圍：1.8V-3.6V；（2） 活動模式下電流為220uA（1MHz，2.2V），待機模式下電

43、流下電流為0.5A；（3）具有5種節(jié)電模式；從等待模式快速喚醒時間小于1s；（4）內(nèi)部頻率最高達(dá)16MHz、內(nèi)部低功耗LF振蕩器、32KHz晶振、外部數(shù)字時鐘源；（5）具有2個捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_A；（6）具有模擬信號比較功能或但斜邊A/D的片上比較器；（7）具有內(nèi)部參考電壓，采樣保持和自動掃描的10位，200KSPS A/D轉(zhuǎn)換器；欠電壓檢測器；（8）支持SPI通用串行接口；（9）串行在線編程，無需外部編程電壓，可編程的保密熔絲代碼保護。圖4.15 MSP43OF2013管腳圖4.5.2 MSP430F2013內(nèi)部模塊溫度傳感器模塊由于在MSP430F2013自帶了一顆

44、溫度傳感器，所以我們不為系統(tǒng)添加多余負(fù)載，在后期測試?yán)锞陀眯酒锏倪@顆溫度傳感器。在芯片的SD16模塊內(nèi)，有一只集成溫度傳感器。任意一個ADC選擇通道6都可以測量內(nèi)部溫度傳感器的輸出電壓。通過溫度傳感器可以獲知芯片內(nèi)部的溫度。如果單片機本身處于低功耗運行，幾乎不發(fā)熱，芯片的溫度與環(huán)境溫度是相等的。測量環(huán)境溫度，不僅能作為溫度計應(yīng)用，還能夠監(jiān)控電路板或機箱內(nèi)的溫度，當(dāng)檢測到超溫時，可以采用某些措施（如斷電、報警、停止功率部分電路等）避免事故發(fā)生。在高精度測量應(yīng)用中，還可以通過測得的溫度來做數(shù)字溫度補償。溫度傳感器的使用。SD16模塊內(nèi)部的溫度傳感器的溫度系數(shù)是：1.32mV/K。其中開爾文溫度是

45、熱力學(xué)溫度，等于攝氏溫度加273K。在內(nèi)部基準(zhǔn)電壓Vref=1200mV條件下，ADC數(shù)據(jù)格式設(shè)置為“有符號”時，0V對應(yīng)采樣值，Vref/2(600mV)對應(yīng)ADC采樣值32767（忽略實際誤差）。假設(shè)ADC采樣值為D，推導(dǎo)出傳感器輸出電壓： (4.12)Vsensor除以溫度系數(shù)（1.32mV/K）得到開始溫度： (4.13) 再減去273，得到攝氏溫度： (4.14)為了在定點運算時保留1位小數(shù)，計算過程中先擴大10倍，顯示時加一位小數(shù)點。得到計算公式： (4.15)4.5.3 MSP430F2013外圍電路設(shè)計在傳統(tǒng)的微處理系統(tǒng)中，要讓系統(tǒng)運行，至少要提供電源、時鐘和復(fù)位信號，而在MS

46、P430單片機中，內(nèi)部就帶有復(fù)位電路（BOR）、片內(nèi)數(shù)控時鐘源（DCO），因此只需要外加電源即可構(gòu)成可運行的最小系統(tǒng)。此時芯片使用的是內(nèi)部的數(shù)控振蕩器，大部分MSP430單片機在復(fù)位后DCO輸出頻率默認(rèn)設(shè)定在800KHz-1MHz,可以認(rèn)為系統(tǒng)提供時鐘源，并且隨時可以通過軟件改變DCO振蕩頻率。但內(nèi)部DCO的誤差很大（20%），且受溫度影響嚴(yán)重。只適合CPU運算提供時鐘或在對時間誤差要求極其寬松的場合。對于需要較為精確定時的場合，如波特率產(chǎn)生、日歷計時、精確定時、時間測量等應(yīng)用中，必須提供外部晶體作為時鐘源。MSP430單片機通常使用32.768KHz的手表晶振作為外部時鐘。這個低頻振蕩一般向

47、內(nèi)部低速設(shè)備提供時鐘，并作為定時喚醒CPU用，僅在CPU需要運算時才使用DCO提供的高速（但不精確的）時鐘。如圖4.16所示為MSP430F2013的外部電路，其中Y1即為32.768KHz的手表晶振圖4.16 MSP43OF2013外圍電路原理圖5 結(jié)果與分析5.1 系統(tǒng)PCB板的設(shè)計PCB 設(shè)計是充電節(jié)點硬件設(shè)計過程中必不可少的一個過程。該過程出現(xiàn)在電路原理圖設(shè)計完成之后，它利用原理圖生成的網(wǎng)絡(luò)表將元器件對應(yīng)到各自的封裝，然后將封裝放置在PCB 板上。PCB 設(shè)計是制作電路板的必要步驟，且對電路板的性能有著很重要的影響。為了方便測量及減少設(shè)計失敗風(fēng)險，我們將天線模塊與后續(xù)電路分別設(shè)計在兩塊

48、板子上。5.1.1 高頻電路PCB板設(shè)計基礎(chǔ)高頻電路板的設(shè)計思想完全不同于其他電路的設(shè)計，它主要牽扯到如何避免高頻信號的干擾問題。為了設(shè)計出抗干擾性能更好的電路板，我們應(yīng)從以下幾個方面考慮：（1）合理選擇層數(shù)。在PCB 設(shè)計中對高頻電路板布線時，利用中間內(nèi)層平面作為電源和地線層，可以起到屏蔽的作用，有效降低寄生電感、縮短信號線長度、降低信號間的交叉干擾，一般情況下，四層板比兩層板的噪聲低20dB。（2）走線方式。在PCB 設(shè)計中對高頻電路板布線時，走線盡量避免導(dǎo)線間平行，這樣可以減小高頻信號的發(fā)射和相互之間的耦合。（3）走線長度。在PCB 設(shè)計中對高頻電路板布線時，走線長度越短越好，兩根線并行距離越短越好。（4）過孔數(shù)量。在PCB 設(shè)計中對高頻電路板布線時，過孔數(shù)量越少越好。（5）層間布線方向。在PCB 設(shè)計中對高頻電路板布線時，層間布線方向應(yīng)該取垂直方向，就是頂層為水平方向，底層為垂直方向，這樣可以減小信號間的干擾。（6）敷銅。在PCB 設(shè)計中對