一种无线传感器网络中小功率太阳能电源管理电路的MOS管应用方案

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一、无线传感器网络

无线传感器网络在我国重视的物联网发展中占据重要地位，被人们越来越广泛地应用于日常生活中的数据采集、工业控制等方面。它通常由由传感器电路、微控制器电路、无线通信电路、电源供电电路这四部分构成。

随着无线感应器网络应用领域的增加，其节点功能也在增加，但无线传感器节点功能的增加总是伴随着功耗的增加。虽然人们将作为无污染的绿色环保能源的太阳能广泛地应用于无线传感器节点的户外工作中，但户外工作时所采用的太阳能供电和电池充电的蓄能方式是有限的。

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此时，设计一个性能良好的电源电路就显得尤为关键，它将决定无线传感器节点能否长期稳定的正常工作，能否实现对输入能量、输出能量最高效地利用，实现电源控制电路最低功耗的控制。

6 u( |+ }2 n; B6 m# |) h8 x二、太阳能电源管理电路的设计关键

• 充电方面，电源管理电路需要对电池充电电流和电池端电压进行实时监控，以免发生过度充电导致的漏液现象。
• 放电方面，电源管理电路需要对电池进行放电保护，以免过度充电损坏电池。
• 电源管理电路需要进行太阳能电池板的最大功率点跟踪（Maximum power point tracking，MPPT）。
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2014年，Wang DaMei设计了一种在无线传感器网络中应用的、太阳能电池板为两节串联铅蓄电池的小功率（5W以下）太阳能电源管理电路。该电源管理电路具有能源利用率高、寿命长、合理分配输出能量等特点，电源管理电路的转换率高达80%以上，静态工作电流小于1mA，随着温度和光强的不同，电源管理电路课可以智能地实现最大功率点跟踪（MPPT）和动态电源管理。

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其设计的电源管理电路采用两级能量机构，选用充电电池作为主级能量储存单位，超级电容为次级能量储存单位，一起构成双能量储存结构，极大提高了太阳能面板的输出能量利用率。选用的铅蓄电池即使在底纹的工作环境也保持良好的放电性能，且浮充特性好，不会过充。设计的额电源管理电路通过对DCDC电路输出电流采样、单片机调节PWM来实现太阳能电池板的MPPT。其后续实验结果也证实电路成本低廉、稳定性和可靠度高。

三、电源管理电路部分组成选择：

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• 单晶硅太阳能电池板 4.5V，3W
• 两个串联的超级电容 2.7V，200F
• 充电铅蓄电池 4.2V，5Ah
• 微控制器电压＜3.3V，休眠电流＜1uA
• 一个ZigBee节点
• DCDC电路选择Sepic电路
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【太阳能电源管理电路整体结构图】

四、Sepic变换电路设计参数：
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此DCDC电路需要可升压降压，并且电路转化率尽量高，所以选择了具有升降压特性，输入输出同极性，且开关元件低端驱动的Sepic（single ended inductor converter）电路。

• 输入电压Vin=1V-7V
• 输出电压Vout=0.5V-5V
• 电流Iout=10mA~600mA
• 输出整流二极管正向压降Vd=0.3V
• 开关频率50KHz
  

【Sepic电路拓扑结构】

【电源路径管理电路】

电源路径管理电路中的MOS 管开关S1,S2,S3的导通和闭合实现了系统能量流动的控制，而这些控制可以通过微控制器编程实现。

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在这个电源管理电路中，当铅蓄电池充满电时，可监测到铅蓄电池电压较高，此时应该进行恒压小电流充电；若监测系统输出电流过大，则应将能量的一部分储存的超级电容中，对电池和电容同时充电；而微控制器若保持输出电流小于或等于铅蓄电池的可承受最大充电电流，输出电流就可向电池进行充电。

五、太阳能电源管理电路中MOS管的选择：

此太阳能电源管理电路中应用的MOS管除了要保证能承受所经的峰值电压和峰值电流外，还需要尽量减少耗散功率。

• Vds＞Vin+Vout=7V+5V=12V
• ID＞5.29A
• 若MOS耗损太大，则应在MOS管上添加散热片
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可供选择的VBsemi微碧MOS管型号

①VBZE9N03

②VBZE80N03

③VBZE40N03

④VBZE30N02

⑤VBE1206

【可供选择的VBsemi微碧MOS管型号】

六、微碧半导体MOS管封装及应用

微碧半导体企业主要产品的封装有：SOP-8 、TO-220（F）、TO-263、TO-247、TO-252、TO-251、SOT-23、SOT-223、SOT-89、QFN等系列封装产线。

微碧部分MOS管产品封装

广泛应用于3C数码、安防设备、测量仪器、广电教育、家用电器、军工/航天、可穿戴设备、汽车电子、网络通信、物联网IoT、新能源、医疗电子、照明电子、智能家居、电脑主板显卡、MID\UMPC 、GPS、蓝牙耳机、PDVD、车载DVD、汽车音箱、液晶显示器、移动电源、手机电池（锂电池保护板）、LED电源等产品。微碧半导体有限公司以饱满的激情，拼搏务实的干劲，不断创新进取，致力于为客户群体打造出一座高效、便捷、直通、优质的服务桥梁。

七、参考文献

[1]王大美,陈小彦,周胜利,李宝华.基于最大输出电流的智能太阳能电源管理电路[J].吉林大学学报(信息科学版),2016,34(05):614-621.

[2]张帅. 电容型电力设备介质损耗在线测量技术的研究[D].吉林大学,2012.

[3]王大美. 无线传感器网络太阳能电源管理电路设计[D].吉林大学,2014.

[4]张静静,赵泽,陈海明,崔莉.EasiSolar:一种高效的太阳能传感器网络节点系统设计与实现[J].仪器仪表学报,2012,33(09):1952-1960.

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