本文是關(guān)于設(shè)計太陽能遠(yuǎn)程傳感器的，該傳感器已隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展而普及。由于要使這種系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)電源不同，因此設(shè)計需要大量時間和規(guī)劃。該文檔還給出了一個，它給出了設(shè)計過程的循序漸進(jìn)的過程，以實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展，監(jiān)視環(huán)境并將數(shù)據(jù)傳輸回Internet連接主機系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳感器已變得越來越普遍。設(shè)計這種由能量收集電源（例如，太陽能電池板，熱或壓電發(fā)電機等）供電的傳感器，比設(shè)計具有標(biāo)準(zhǔn)電源（例如，電池或墻上適配器）。本文提供了一個循序漸進(jìn)的過程，說明如何優(yōu)化設(shè)計能量收集器并適當(dāng)調(diào)整電池的大小，以滿足最終應(yīng)用程序的負(fù)載，而不會過度設(shè)計或增加過多的成本。從系統(tǒng)負(fù)載開始，再回到輸入源，可以設(shè)計出具有最佳尺寸組件的經(jīng)濟高效的系統(tǒng)。

步驟1：選擇收割機

第一步是為應(yīng)用環(huán)境選擇合適的能量收集器類型，而不是大小，以使非黑暗時間實際收集的能量最大化。我們用于說明目的的示例系統(tǒng)是由太陽能電池板驅(qū)動的低功耗，最小尺寸的室外傳感器。如果可以使用適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)源（熱梯度或機械振動），則可以使用其他類型的收割機。

步驟2：最小化負(fù)載

如圖1的簡化框圖所示，考慮太陽能供電的室外遠(yuǎn)程溫度傳感器。設(shè)計能量收集系統(tǒng)中最關(guān)鍵的步驟是通過以下步驟最小化系統(tǒng)的負(fù)載曲線：1）選擇功耗最低的IC，以及2）以低占空比突發(fā)模式運行這些IC。

為了簡化計算，我們假設(shè)傳感器本身，I / O外設(shè)和RF收發(fā)器由具有3.6V平均“ HI”電壓軌的鋰離子電池供電，而處理器內(nèi)核由單獨的1.8V電池供電。 V“ LO”導(dǎo)軌。

為了降低總功耗，系統(tǒng)具有兩個周期性的活動模式和睡眠模式。在測量模式下，將進(jìn)行0.5 s的溫度測量。緊隨測量模式之后，發(fā)送和接收模式（TXRX模式）每60 s將發(fā)送和接收數(shù)據(jù)到主機或從主機接收數(shù)據(jù)的時間為100 ms。當(dāng)不使用收發(fā)器和測量設(shè)備時，處理器將進(jìn)入低功耗睡眠模式。系統(tǒng)的負(fù)載電流曲線如圖2所示。

步驟3：電源管理IC選擇

從負(fù)載曲線中，我們選擇了能夠在這些電壓和電流水平以及其他一些關(guān)鍵特性下工作的規(guī)格的dc / dc轉(zhuǎn)換器和/或電池充電器。理想情況下，功率IC的靜態(tài)電流遠(yuǎn)低于睡眠模式下系統(tǒng)的電流消耗。因為能量收集源的阻抗輸出比典型的低阻抗電池或壁式適配器高得多，所以它的行為更像是電流源而不是電壓源。這導(dǎo)致其輸出電壓在比低阻抗（Low-Z）源的電壓低得多的輸出電流下塌陷。因此，緊接收割機的DC / DC轉(zhuǎn)換器必須管理（限制）自己的輸入電流消耗，以使收割機的輸出電壓不會崩潰。

最小尺寸的系統(tǒng)（包括太陽能電池板面積）將具有盡可能少的太陽能電池板電池，每個電池串聯(lián)或并聯(lián)輸出0.6至0.7V。使用降壓型電池充電器對4.2 V鋰離子電池完全充電需要串聯(lián)7至8個以上的電池。基于升壓的充電器可在太陽能電池板配置中提供更大的靈活性，并可能減少太陽能電池板的數(shù)量。我們選擇帶有集成降壓轉(zhuǎn)換器的bq25570升壓型電池充電器，因為它具有最大功率點跟蹤（MPPT）和輸入電壓調(diào)節(jié)功能以及功率水平。MPPT功能可對太陽能電池板的開路（空載）電壓進(jìn)行采樣，并每16 s將用戶選擇的一部分電壓存儲在電容器上。

步驟4：根據(jù)負(fù)載電流計算最小電池尺寸

電池容量以毫安小時（mAh）為單位。調(diào)整電池大小以確保在長達(dá)兩天的黑暗天氣（例如云層遮蓋）下能完全運行，我們首先計算電池提供的總電流（IHI1 + IHI2）。使用bq25570數(shù)據(jù)表中降壓轉(zhuǎn)換器的測得效率值，通過求解效率平衡方程= POUT / PIN =（VOUT x IOUT）/，將降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流（ILO）反射回高軌電流（IHI2）/ （VIN x IIN）..由于太陽能電池板的工作時間以天為單位，因此我們乘以每種模式的占空比，然后乘以24小時/天，就可以消耗mAh /天。

步驟5：確定太陽能電池板尺寸

將2.10 mAh /天乘以3.6 V平均電壓得出的系統(tǒng)需求為7.56 mWh /天。如果太陽能電池板為bq25570升壓充電器24-7供電，那么其平均效率將達(dá)到80％，如果太陽能電池提供7.56 mAh /天/0.8 = 9.45，則系統(tǒng)可以從升壓充電器輸出運行而無需電池兆瓦時/天。

但是，我們每周僅在7個工作日中進(jìn)行5次充電，而每天僅進(jìn)行4小時充電，而電池則在2個暗日和非充電時間內(nèi)提供電力。這意味著太陽能電池板必須提供額外的電量來為電池充電，總電量為9.45 mWh /天x 7天/ 5天/ 4 h /天= 2.65 mW。假設(shè)可以提供最小照度的0.025 W / cm2的太陽能電池板，那么我們只需要2.65 mw / 0.025 mW / cm2 = 132 cm2的太陽能電池板面積。

編輯：hfy