作者：王小強，歐陽駿，紀愛國
引言
電源是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，特別是對于野外布置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點來說，供電線路的鋪設(shè)難度較大，采用電池供電時需要定期更換電池，在一定程度上增加了系統(tǒng)維護的成本。太陽能供電系統(tǒng)不僅解決了野外長時間無人監(jiān)護的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的供電問題，而且還具有供電持久、環(huán)保節(jié)能和便于維護等優(yōu)點，具有良好的應(yīng)用前景。
太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題是通過太陽能電池板對鋰電池進行充電，同時需要實時檢測充電電壓和充電電流，避免因過充而導(dǎo)致鋰電池永久性損壞；此外還需要設(shè)計鋰電池放電保護電路，對放電電壓進行實時監(jiān)測，防止過放電導(dǎo)致鋰電池損壞。
1 太陽能供電系統(tǒng)簡介
太陽能供電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、可充電鋰電池、充電控制器和放電保護電路組成。由于太陽能電池板的輸出電壓不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的太陽能供電系統(tǒng)往往因為鋰電池充放電管理不合理，導(dǎo)致鋰電池使用壽命大大縮短。本文提出了一種基于太陽能的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)能夠自動管理鋰電池的充電過程并進行有效的能量儲存，通過對電池電壓的監(jiān)測避免鋰電池過度放電，以達到延長鋰電池壽命的目的。此外由于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所需電壓為3．3 V，而鋰電池的工作電壓一般在3．6～4．2 V(正常放電電壓為3．7 V，充滿電時的電壓為4．2 V)，所以需要DC-DC轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生所需要的工作電壓。
對于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點而言，首先要考慮的是低功耗。這里選用TI公司推出的完全兼容ZigBee2007協(xié)議的SoC芯片CC2530，其工作電壓是3．3 V。綜合考慮上述因素，提出如圖1所示的太陽能供電系統(tǒng)總體示意圖。
該系統(tǒng)中，太陽能電池板產(chǎn)生的能量通過充電管理電路被存儲在鋰電池中，同時對鋰電池提供充電保護，防止過充；由于電池放電時其端電壓會逐漸降低，因此需要放電保護電路對放電電壓進行監(jiān)測，當(dāng)電池電壓下降到一定程度時切斷放電電路，避免鋰電池過放電。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)計了一個具有高效率的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，為節(jié)點上的負載提供穩(wěn)定的電壓。
2 太陽能供電系統(tǒng)單元電路設(shè)計
太陽能發(fā)電系統(tǒng)各個單元電路的設(shè)計主要采用集成IC外加少量阻容器件的形式實現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計的思路是：首先估算系統(tǒng)總功耗，然后選擇合適的鋰電池，進而根據(jù)鋰電池的容量來選擇所需的太陽能電池板；根據(jù)太陽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來設(shè)計充電控制電路；最后根據(jù)鋰電池輸出電壓和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所需的工作電壓來設(shè)計合適的DC-DC變換電路。
2．1 鋰電池的選取
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在數(shù)據(jù)發(fā)送期間所需的峰值電流為29 mA，在數(shù)據(jù)接收期間所需的峰值電流為24 mA。通常情況下，每個ZigB ee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會設(shè)計幾個傳感器。假設(shè)各種傳感器所需的工作電流為30 mA，那么數(shù)據(jù)發(fā)送期間所需要的總電流為59 mA，數(shù)據(jù)接收期間所需要的總電流為54 mA，為了討論問題方便，總電流取60 mA，那么鋰電池可以選取容量為900 mAh。表面上看，900 mAh的鋰電池可以供該節(jié)點連續(xù)工作時間為：900 mAh／60 mA=15小時。
但是實際系統(tǒng)中，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對數(shù)據(jù)的采集一般是定時采集，例如采集溫度數(shù)據(jù)，由于溫度變化減慢，所以可以定時采集，在此節(jié)點每小時工作50 s，其他時間都在休眠(休眠時工作電流在μA級，所以可以忽略不計)。
那么實際情況是：系統(tǒng)采用容量為900 mAh的鋰電池供電，節(jié)點工作電流為60 mA，每小時工作50 s，可以計算出容量為900 mAh的鋰電池可供節(jié)點工作時間為：1080小時=45天，即一個半月的時間。
當(dāng)然上述討論也是一種典型情況，如果系統(tǒng)需要每小時使節(jié)點工作時間大于50 s，則每節(jié)鋰電池可以供節(jié)點工作的時間可能會縮短，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部分南方地區(qū)在雨季可能連續(xù)半個月的時間不出太陽，這時就需要考慮適當(dāng)選取容量大一點的鋰電池。
本設(shè)計所選用的是容量為900 mAh的鋰電池，市場價在15～30元左右，該電池正常放電電壓為3.7 V，充滿電后電壓為4.2 V，一般正常丁作電壓為3.6～4.2 V。
2．2 太陽能板的選取
選取太陽能電池板時主要考慮太陽能板的最大輸出電壓和輸出電流。一般給鋰電池充電的電壓要大于4．2 V，太陽能板的輸出電流決定了充電時間。常用的太陽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)別在于最高效率的單晶電池片比最高效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，在使用中遠遠低于多晶，而且市場數(shù)量明顯少于多晶。同功率的單晶電池板價格要比同功率的多晶板高些。
本文采用的是輸出電壓為5．5 V，輸出電流為140～150 mA的單晶太陽能電池板，尺寸為95 mm×95 mm；主要是考慮到野外安裝時，如果太陽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
充電管理電路連接著太陽能電池板和鋰電池，主要功能是將收集到的能量有效地存儲在鋰電池中，同時提供對鋰電池充電過程中的過壓、過流保護，防止因過充對鋰電池造成的損害。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調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況，可最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)太陽能電池板輸入電壓大于低電壓檢測閾值和鋰電池端電壓時，CN3063開始對鋰電池進行充電，
引腳輸出低電平時紅色LED亮，表示充電正在進行；當(dāng)充滿電后，
引腳輸出低電平時綠色LED亮，表示充電完畢。
最大充電電流由ISET引腳的外接電阻決定，考慮到系統(tǒng)擴展需要，在本設(shè)計中，外接電阻R1取值為3．6 kΩ，則充電電流為：
這里需要注意一點，雖然最大充電電流設(shè)為500 mA，但是當(dāng)使用單片太陽能板時，最大輸出電流為150 mA，此時CN3063芯片會自動調(diào)整最大允許充電電流為150 mA，這就是“輸入限流模式”。在此模式下用戶只需要關(guān)注系統(tǒng)最大充電電流即可，所以該芯片非常適合利用太陽能電池等電流輸出能力有限的電壓源對鋰電池進行充電的應(yīng)用。這里設(shè)計的最大充電電流為500 mA，主要是考慮到系統(tǒng)升級需要，比如某些場合下可以使用兩塊太陽能板并聯(lián)，則最大充電電流可以達到300 mA，此時系統(tǒng)硬件不需要改動。
鋰電池充電過程示意圖如圖3所示。
鋰電池充電過程分析。當(dāng)FB端檢測到鋰電池端電壓低于3 V時，進行預(yù)充電，此時充電電流為最大充電電流的10％；當(dāng)FB端檢測到鋰電池端電壓大于3 V時，調(diào)整為恒流充電模式，同時自動檢測鋰電池端電壓。當(dāng)鋰電池端電壓達到4．2 V時，自動調(diào)整充電模式為恒壓充電模式，此時用小電流對鋰電池充電，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，充電周期結(jié)束。
從整個充電過程分析可以看到，CN3063芯片可以自動檢測充電電壓，進而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)充電模式，使得充電效率較高。因此，使用該芯片設(shè)計鋰電池充電電路較為簡單，利于推廣應(yīng)用。
2．4 放電保護電路和系統(tǒng)供電電路設(shè)計
傳統(tǒng)的放電保護電路是使用一路ADC來不斷檢測電池電壓，當(dāng)電池電壓降低到一定程度時切斷放電電路。這在理論上是很容易實現(xiàn)的，但是在ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，系統(tǒng)軟件設(shè)計時需要定時查詢該路ADC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芯片CN301組成的鋰電池電壓檢測電路，無需系統(tǒng)軟件支持，完全使用硬件電路來檢測電池端電壓，當(dāng)達到過度放電閾值時，自動切斷系統(tǒng)放電電路。
放電保護電路如圖4所示。
該電路工作原理分析：當(dāng)電池端電壓下降到過度放電低電壓檢測閾值時，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，起到了保護鋰電池過度放電的作用；當(dāng)太陽能板自動對鋰電池充電，充電電壓達到高電壓檢測闖值時，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，如果ZigBee節(jié)點軟件設(shè)計時配置為上電后自動加入網(wǎng)絡(luò)并進行數(shù)據(jù)采集，那么該節(jié)點將會自動加入到原來的網(wǎng)絡(luò)中。
鋰電池過度放電低電壓檢測閾值計算公式如下：
其中，Vrth為該芯片設(shè)定的閾值，大小為1．135 V；ILBI為引腳偏置電流范圍為-100～100 nA，一般取0即可。因為該芯片工作電流在1．8μA，所以對于電阻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，這樣流過電阻的電流在μA級，功耗很低。
由于鋰電池電壓范同為3．6～4．2 V，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作電壓為3．3 V，所以需要根據(jù)輸入／輸出的電壓差來選擇適當(dāng)?shù)腖DO芯片，同時還需要考慮LDO的靜態(tài)電流和效率。筆者采用RT9183-33PG芯片實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，該芯片在輸出3．3 V時，所需要的壓差為110 mV，靜態(tài)電流為：380μA。
3 PCB布局注意事項
在具體的PCB布局時需要注意以下問題：
①CN3063的ISET引腳外接電阻R1(充電電流編程)，應(yīng)盡可能靠地近CN3063。
②CN3063的VIN、BAT引腳的外接電容要盡可能地靠近CN3063。
③為了使系統(tǒng)能夠達到設(shè)定的最大充電電流，需要將CN3063背面裸露的金屬板焊接到PCB板的地端，以達到最大的散熱效果；否則，在充電過程中，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，接到CN3063的裸露的銅面上，為了便于焊接，可以放置4個小焊盤，4個小焊盤的面積要略小于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。
結(jié)語
電源的設(shè)計優(yōu)劣關(guān)乎系統(tǒng)設(shè)計的成敗，本文以ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點太陽能供電系統(tǒng)為例進行了講解，通過充電控制電路和放電保護電路來實現(xiàn)對鋰電池充放電的保護功能，延長鋰電池的使用壽命，非常適合于野外布置的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用，本文的分析方法也適用于其他需要太陽能供電的系統(tǒng)。