[发明专利]用于无源感知网络的超低输入功率供能电路及采用该电路实现的供能方法

说明书

用于无源感知网络的超低输入功率供能电路及采用该电路实现的供能方法，涉及为无源感知节点供能领域。本发明是为了解决现有缺少无源感知节点在超低输入功率情况下的供能问题。为减少采样功耗，本申请使用积分电路计算电压和电流的平均值，对于输入电压，电容C1端电压经电阻分压后送入由运算放大器U3构成的电压跟随器，随后送入由运算放大器U4构成的积分电路，运算放大器U4输出值为一段时间内电压的平均值；控制器每隔一段时间仅读取一次运算放大器U2、U4的输出值计算出该时间段的电压、电流平均值，进而计算出输入功率，节省了频繁采样的能耗。它用于为无源感知节点供能。

技术领域

本发明涉及为无源感知网络的超低输入功率供能电路及采用该电路实现的供能方法。

背景技术

无源感知网络(Energy-harvesting WSNs,EH-WSNs)通常使用太阳能电池(PVCell)获取环境中的太阳能能源，但直接将太阳能电池接在无源感知节点上存在两个问题。其一，太阳能电池的输出功率如图2中曲线1所示，其功率随输出电压呈凹函数关系，因此需要控制其输出电流，使得输出功率达到最大，该方法称之为最大功率点追踪(MPPT)控制方法。其二，无源感知节点内通常使用大容量电容储存能量，其充电速度取决于太阳能电池的输出电压与储能电容的电压差，因此太阳能电池需要使用升压(BOOST)等DC-DC电路提高输出电压。

现有的MPPT-BOOST方法和产品通常适用于大功率太阳能电池阵列，需要太阳能电池能够提供充足的能量，并输出连续且恒定的电压。而无源感知节点受成本和体积限制，其太阳能电池的功率偏小，当光照不充足时输出功率可能仅为几毫瓦甚至更低，无法提供足够的电流供MPPT-BOOST电路工作。其简化的等效电路如图3所示，在短时间内(几分钟)光照变化不大、输出功率变化不大的情况下，可将小功率太阳能电池视为具有大内阻的恒压源。太阳能电池产生电压Vs，通过内阻R_p向电容C1充电，充满后再供BOOST电路工作。由于电容C1的放电时间受容量和电压限制，因此BOOST电路仅可工作于PFM模式。要实现准确的MPPT控制，需要得知电压Vs、内阻Rp和电容C1的值，在实际中，这些值并不确定，如电容C1的偏差可能达到50％以上，因此首先需要测量这些值。现有的MPPT-BOOST方法没有考虑该问题。

另外，无源感知节点通常是可间断工作的，不要求连续供电。在环境能量较低时，只有间断性供电能满足无源感知网的运行要求。而且为了减少能量损耗，MPPT算法必须是轻量级的，保留尽量多的能量供给无源感知节点。

发明内容

本发明是为了解决现有缺少无源感知节点在超低输入功率情况下的供能问题。现提供用于无源感知网络的超低输入功率供能电路及采用该电路实现的供能方法。

用于无源感知网络的超低输入功率供能电路，它包括太阳能板、电流采样电阻Rs和PMOS管Q3，它还包括升压电路(1)和最大功率点追踪控制电路(2)，

升压电路(1)包括电感L、电解电容C1、电解电容C2、NMOS管Q1、PMOS管Q2和二极管D，

最大功率点追踪控制电路(2)包括电流放大电路(2-1)、电流积分电路(2-2)、电压采样电路(2-3)、电压积分电路(2-4)、电压检测单元及稳压单元和控制器，

太阳能板的正极同时连接电流采样电阻Rs的一端和电流放大电路(2-1)的同相输入端，

电阻Rs的另一端同时连接电流放大电路(2-1)的反相输入端、电解电容C1的正极、电感L的一端和电压采样电路(2-3)的同相输入端，

太阳能板的负极同时连接电解电容C1的负极、NMOS管Q1的源极、电解电容C2的负极，并接电源地，NMOS管Q1的栅极连接控制器的PFM端，