微型温差电池的无线传感器节点自供电系统设计

8001的工作状态。

TPS78001是TI生产的超低功耗稳压器，它可以实现电路输出电压的稳压作用，通过设置相应的外围电路的电阻参数，可以使输出得到一个稳定的电压，这样就可以稳定地驱动后面的无线传感器发射节点。

为了更好的对图2设计电路进行解释说明，下面对上述电路图的各个模块包含的芯片和相关电子元件，以及工作方式和功能进行详细的描述。

图2中的电路是微型温差发电器自供电系统的总体电路图，根据实际电路的作用可将其划分为三个电路，在此以电路A、B和C来代替。

电路A是以BQ25504芯片为核心的具有MPPT功能的DC-DC升压变换器电路以及能量存储电路；电路B是以MIC841N芯片为核心的双电压比较器电路；电路C是以TPS78001芯片为核心的稳压器输出电路。

2.2 具备MPPT功能的DC-DC升压转换以及储能电路设计

如图3所示，电路A主要是由电能管理芯片BQ25504及其外围电路构成。

首先按照如图3连接电路A的相关电子元器件。TEG（Thermoelectric Generator）即是微型温差发电器，它输出的是温差电转换的裸电压。电路A的主要功能是MPPT、DC-DC升压变换，以及能量存储电路，以下对如何实现这三个功能进行详细叙述。

图3 带MPPT功能的DC-DC升压电路和能量存储电路原理图

2.2.1 最大功率点跟踪（MPPT）功能电路设计

最 大功率点跟踪（MPPT）是一种最大化利用发电器所产生电能的技术。本文通过一定的电气模块调节微型温差发电器的温差芯片的输出电压，从而实现温差发电器 输出功率的最大化。根据已知的微型温差发电器的输出特性曲线，当输出的电压大约等于开路电压的50%时可以得到最大的输出功率。从TEG提取最大功率的技 术主要是动态改变DC/DC转换器开关频率，本文根据这一特性利用BQ25504采用了电阻比例分压法实现了输出电压为开路电压的一半，进而实现了输出功 率的最大化。

如图3所示，为了实现MPPT功能，在引脚2（VIN_DC）和引脚3（VOC_SAMP）分别接电阻_OC2和电阻_OC1。引脚2通过_OC2接引脚3，引脚3通过_OC1接地，具体如电路原理图所示。

然后按照以下的方式确定R_OC1和R_OC2的阻值：

VIN_DC是电压输出端，通过R_OC1和R_OC2的分压作用，使得VOC_SAMP处的电压为：

（1）

又因为TEG输出的电压大约等于开路电压的50%时可以得到最大的输出功率，因此R_OC1/(R_OC1+R_OC2)的值应为1/2，因此R_OC1= R_OC2，在电路设计实际中，本文选择了10MΩ作为其阻值，因此R_OC1 =R_OC2 =10MΩ。

BQ25504芯片每16s采样一次VOC_SAMP的电压值，可以保证在温差发电器的输出功率发生变化的情况下，在较短的时间内可以准确跟踪到微型温差发电器输出功率的最大点，实现最有效的电能采集。

2.2.2 DC-DC超低电压升压功能电路设计

BQ25504 的另一个最重要的功能就是可以实现在稳定工作时从低至80mV的电压持续汲取能量，这对于微型温差发电器十分重要。BQ25504的充电电路是集成在芯片 内部的DC-DC升压模块构成。内部升压模块是通过脉冲频率调制将输入电压调节到芯片的能量存储设备需要的电压。为了实现保护电能存储（储能电容器）设备 的长寿命高效率工作，本文结合BQ25504为充电电路设定了欠压阈值（UV），充电完成阈值（VBAT_OK），过压阈值（OV），欠压和过压阈值的设 定分别用于避免储能电容器储能设备过度放电和过度充电，尽可能延长储能电容器的工作使用寿命。VBAT_OK的设定用于控制充放电过程，进而控制整个电路 的工作流程。

在本文中，结合充电电路的实际情况，本文设定，VBAT_OV=3.5V，VBAT_UV=2.8V，VBAT_OK=3V，VBAT_OK_HYST=3.2V。

然后依照以下的公式确定外围电阻的阻值：

在电路中，VBIAS是芯片BQ25504的内部参考电压，其值为1.240V，并且在电路设计中本文约定R_UV1+R_UV2=10MΩ，R_OV1+R_OV2=10MΩ，R_OK1+R_OK2+R_OK3=10MΩ；结合方程（2），（3），（4），（5），本文得到：

R_UV1=4.43M；R_UV2=5.57M；

R_OV1=5.31M；R_OV2=4.69M；

R_OK1=3.875M；R_OK2=5.5M；R_OK3=625K；

2.2.3 DC-DC超低电压升压功能电路设计

本 文设计的能量缓冲器电路是在BQ25504芯片的输出位置通过一个二极管D1接入一个储能电容器。通过储能电容器的应用，本文可以实现在温差能充足 时，DC-DC转换过后的能量不仅能够供给无线传感器节点使用，而且多余的能量可以存储在储能电容器中，实现能量的最大节约；温差发电器采集到的电量不足 的时候储能电容器可以暂时充当能量源的角色，保证后面的无线传感器节点有效的工作，并且由于二极管D1的存在避免了储能电容器