城市是物聯(lián)網(wǎng)的完美環(huán)境?？梢圆捎?a href="http://www.socialnewsupdate.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器為許多不同的應(yīng)用提供有用的數(shù)據(jù)，并且相對(duì)小的數(shù)據(jù)分組意味著可以折衷無線鏈路的比特率以降低功耗。這對(duì)于擁有數(shù)千甚至數(shù)百萬個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。世界各地的項(xiàng)目正在研究從環(huán)境中獲取能量以為這些傳感器節(jié)點(diǎn)供電的方法。太陽能，熱能，振動(dòng)甚至射頻能量都被評(píng)估為電源。

這與長距離廣域網(wǎng)（如蜂窩電話）不同，需要覆蓋可能跨越許多英里部署的傳感器。在這里，無線鏈路的能量需求通常會(huì)排除使用能量收集源。

相反，基于城市的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)使用一系列不同的低功率無線協(xié)議，范圍從低于GHz的低頻電力遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）到2.4 GHz藍(lán)牙智能和ZigBee技術(shù)以及專有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

由于能量收集源具有可變的低電流，因此對(duì)電源有高度專業(yè)化的要求管理單元（PMU）為無線收發(fā)器，微控制器和傳感器提供電源。

盡管PMU集成度越來越高，但這種無線節(jié)點(diǎn)的能量收集電源的設(shè)計(jì)需要注意電容器和電感器可提供最佳功率。

ADI公司的ADP5091 PMU可用于轉(zhuǎn)換6μW至600 mW范圍內(nèi)的直流電源，以應(yīng)對(duì)光伏（PV）電池或熱能的變化用于無線傳感器的發(fā)生器（TEG）頌歌。這些設(shè)備為可充電鋰離子電池，薄膜電池，超級(jí)電容器或傳統(tǒng)電容器等存儲(chǔ)元件充電，為傳感器提供穩(wěn)定的電流。這也可以提供收發(fā)器將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地網(wǎng)關(guān)所需的更高功率。

設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素是內(nèi)部冷啟動(dòng)電路，以便穩(wěn)壓器可以在輸入電壓下工作低至380 mV。冷啟動(dòng)后，穩(wěn)壓器可以處理0.08 V至3.3 V的輸入電壓范圍，另外150 mA穩(wěn)壓輸出可通過圖1中的外部電阻分壓器或VID引腳進(jìn)行編程。

圖1：ADP5091可以處理可變低能源，如光伏太陽能電池板和熱能發(fā)電機(jī)。

當(dāng)與光伏電池一起使用時(shí)，控制器保持輸入電壓紋波在固定范圍內(nèi)，以便在最有效的點(diǎn)保持穩(wěn)定的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換。動(dòng)態(tài)感應(yīng)模式允許從收割機(jī)中提取最高可能的能量，并具有可編程的最小操作閾值，以便在低輸入條件下快速關(guān)閉。

設(shè)備的充電控制功能保護(hù)可充電儲(chǔ)能，這是通過可編程充電終止電壓和關(guān)機(jī)放電電壓監(jiān)測電池電壓來實(shí)現(xiàn)的。此外，可編程PGOOD標(biāo)志監(jiān)視SYS電壓?？蛇x的主電池可以通過集成的電源路徑管理控制塊進(jìn)行連接和管理，該控制塊可編程以從能量采集器，可充電電池和原電池電池切換電源。

開關(guān)模式同步升壓調(diào)節(jié)器，外部電感連接在VIN和SW引腳之間，工作在脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式，將存儲(chǔ)在輸入電容器中的能量傳輸?shù)竭B接到BAT引腳的儲(chǔ)能器。 MPPT控制環(huán)路調(diào)節(jié)MPPT引腳上采樣電平的VIN電壓，并通過CBP和AGND引腳存儲(chǔ)在電容上。

為了在寬輸入功率范圍內(nèi)保持穩(wěn)壓器的高效率，電流檢測電路采用內(nèi)部抖動(dòng)峰值電流限制來控制電感電流。如果BAT引腳電壓低于SETSD引腳設(shè)定的電池端子充電閾值，則主升壓調(diào)節(jié)器操作通過儲(chǔ)能控制器達(dá)到異步模式，或者如果BAT引腳電壓高于電池過充電閾值，則停止開關(guān)。 TERM引腳。當(dāng)CBP引腳上的電壓降低到MINOP引腳上的電阻設(shè)置的閾值時(shí)，升壓調(diào)節(jié)器將禁用。此外，通過開路電壓采樣電路周期性地停止升壓，也可以通過將DIS_SW引腳驅(qū)動(dòng)為高電平來暫時(shí)禁止升壓。

圖2： ADP5091引腳上的電容和電感值對(duì)于能量采集中的正確操作至關(guān)重要。

為了保護(hù)存儲(chǔ)元件免于過充電或過放電，存儲(chǔ)元件必須連接到BAT引腳和系統(tǒng)負(fù)載連接到圖2中的SYS引腳。該器件支持可充電電池，超級(jí)電容器和傳統(tǒng)電容器，并且需要具有100μF等效電容的存儲(chǔ)元件來過濾PFM開關(guān)轉(zhuǎn)換器的脈沖電流。當(dāng)輸入源不再發(fā)電時(shí)，存儲(chǔ)元件容量必須提供整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載。

如果存在高脈沖電流或存儲(chǔ)元件具有顯著阻抗，則可能需要將SYS電容從最小4.7μF增加，或者為BAT引腳添加額外電容以防止下垂SYS電壓。但是，增加SYS電容會(huì)使升壓調(diào)節(jié)器在啟動(dòng)時(shí)在較低效率的冷啟動(dòng)階段工作較長時(shí)間。如果應(yīng)用程序無法接受較長的冷啟動(dòng)時(shí)間，則可以將附加電容器與存儲(chǔ)元件平行放置。

升壓調(diào)節(jié)器還需要一個(gè)合適的電感才能正常工作。電感飽和電流必須至少比預(yù)期的峰值電感電流高30％，以及低串聯(lián)電阻（DCR）以保持高效率。升壓調(diào)節(jié)器旨在優(yōu)化效率并控制開關(guān)，額定電感為22μH±20％。

對(duì)于泄漏電流敏感的能量收集應(yīng)用，需要低泄漏電容作為任何泄漏來自電容器會(huì)降低效率，增加靜態(tài)電流，降低MPPT跟蹤算法的有效性，從而控制源阻抗。

連接到VIN引腳的電容（CIN）和PGND引腳存儲(chǔ)來自輸入源。建議最小值為10μF，但對(duì)于主電池，較大的電容有助于降低輸入電壓紋波并保持源電流穩(wěn)定以延長電池壽命。

ADP5091在SYS引腳和PGND引腳之間使用兩個(gè)電容。至少4.7μF的低ESR陶瓷電容與高頻0.1μF旁路電容并聯(lián)，該電容應(yīng)盡可能靠近SYS和PGND。

為了使無線傳感器盡可能小，該設(shè)備使用小型陶瓷電容器，但只要注意有效串聯(lián)電阻（ESR）值，就可以使用其他電容器。輸出電容的ESR會(huì)影響LDO控制環(huán)路的穩(wěn)定性，建議最小電容為4.7μF，ESR為1Ω或更低，以提供穩(wěn)定的輸出。

負(fù)載電流變化的瞬態(tài)響應(yīng)也受輸出電容的影響。使用較大的輸出電容值可以改善穩(wěn)壓輸出對(duì)負(fù)載電流大幅變化的瞬態(tài)響應(yīng)。

存儲(chǔ)在CBP電容上的電壓由VIN引腳調(diào)節(jié)，對(duì)泄漏很敏感，因?yàn)楸３謺r(shí)間約為16秒。當(dāng)電容器電壓因泄漏而下降時(shí)，VIN調(diào)節(jié)電壓也會(huì)下降并影響MPPT的有效性。

評(píng)估板

圖3中的ADP5091-2-EVALZ演示板將電源管理器件與PV面板相結(jié)合，將室內(nèi)光轉(zhuǎn)換為200至1000 lux至0.8 V電能。 ADP5091將輸入電壓從0.8 V升壓至3.5 V，并將能量存儲(chǔ)在超級(jí)電容器中。

圖3：評(píng)估板結(jié)合光伏太陽能具有ADP5091電源管理單元的單元并連接到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演示器。

這可直接插入ADI公司的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演示器，以連接到低功耗微控制器和sub-GHz遠(yuǎn)程，低功耗收發(fā)器。

結(jié)論

電容器和電感器的選擇對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量收集電源管理單元的高效運(yùn)行至關(guān)重要。使用小型陶瓷電容器可以實(shí)現(xiàn)更小的傳感器節(jié)點(diǎn)，可以輕松放置在室內(nèi)和室外以收集太陽能。這通過無線鏈接提供數(shù)據(jù)，作為整個(gè)智能城市物聯(lián)網(wǎng)的一部分。