通过远程传感器的太阳能遥感器设计

本文是关于设计太阳能远程传感器的，该传感器已随着物联网（IoT）的发展而普及。由于要使这种系统与标准电源不同，因此设计需要大量时间和规划。该文档还给出了一个，它给出了设计过程的循序渐进的过程，以实现最佳的系统性能。

随着物联网（IoT）的发展，监视环境并将数据传输回Internet连接主机系统的远程传感器已变得越来越普遍。设计这种由能量收集电源（例如，太阳能电池板，热或压电发电机等）供电的传感器，比设计具有标准电源（例如，电池或墙上适配器）。本文提供了一个循序渐进的过程，说明如何优化设计能量收集器并适当调整电池的大小，以满足最终应用程序的负载，而不会过度设计或增加过多的成本。从系统负载开始，再回到输入源，可以设计出具有最佳尺寸组件的经济高效的系统。

步骤1：选择收割机

第一步是为应用环境选择合适的能量收集器类型，而不是大小，以使非黑暗时间实际收集的能量最大化。我们用于说明目的的示例系统是由太阳能电池板驱动的低功耗，最小尺寸的室外传感器。如果可以使用适当的激发源（热梯度或机械振动），则可以使用其他类型的收割机。

步骤2：最小化负载

如图1的简化框图所示，考虑太阳能供电的室外远程温度传感器。设计能量收集系统中最关键的步骤是通过以下步骤最小化系统的负载曲线：1）选择功耗最低的IC，以及2）以低占空比突发模式运行这些IC。

为了简化计算，我们假设传感器本身，I / O外设和RF收发器由具有3.6V平均“ HI”电压轨的锂离子电池供电，而处理器内核由单独的1.8V电池供电。 V“ LO”导轨。

为了降低总功耗，系统具有两个周期性的活动模式和睡眠模式。在测量模式下，将进行0.5 s的温度测量。紧随测量模式之后，发送和接收模式（TXRX模式）每60 s将发送和接收数据到主机或从主机接收数据的时间为100 ms。当不使用收发器和测量设备时，处理器将进入低功耗睡眠模式。系统的负载电流曲线如图2所示。

步骤3：电源管理IC选择

从负载曲线中，我们选择了能够在这些电压和电流水平以及其他一些关键特性下工作的规格的dc / dc转换器和/或电池充电器。理想情况下，功率IC的静态电流远低于睡眠模式下系统的电流消耗。因为能量收集源的阻抗输出比典型的低阻抗电池或壁式适配器高得多，所以它的行为更像是电流源而不是电压源。这导致其输出电压在比低阻抗（Low-Z）源的电压低得多的输出电流下塌陷。因此，紧接收割机的DC / DC转换器必须管理（限制）自己的输入电流消耗，以使收割机的输出电压不会崩溃。

最小尺寸的系统（包括太阳能电池板面积）将具有尽可能少的太阳能电池板电池，每个电池串联或并联输出0.6至0.7V。使用降压型电池充电器对4.2 V锂离子电池完全充电需要串联7至8个以上的电池。基于升压的充电器可在太阳能电池板配置中提供更大的灵活性，并可能减少太阳能电池板的数量。我们选择带有集成降压转换器的bq25570升压型电池充电器，因为它具有最大功率点跟踪（MPPT）和输入电压调节功能以及功率水平。MPPT功能可对太阳能电池板的开路（空载）电压进行采样，并每16 s将用户选择的一部分电压存储在电容器上。

步骤4：根据负载电流计算最小电池尺寸

电池容量以毫安小时（mAh）为单位。调整电池大小以确保在长达两天的黑暗天气（例如云层遮盖）下能完全运行，我们首先计算电池提供的总电流（IHI1 + IHI2）。使用bq25570数据表中降压转换器的测得效率值，通过求解效率平衡方程= POUT / PIN =（VOUT x IOUT）/，将降压转换器的负载电流（ILO）反射回高轨电流（IHI2）/ （VIN x IIN）..由于太阳能电池板的工作时间以天为单位，因此我们乘以每种模式的占空比，然后乘以24小时/天，就可以消耗mAh /天。

步骤5：确定太阳能电池板尺寸

将2.10 mAh /天乘以3.6 V平均电压得出的系统需求为7.56 mWh /天。如果太阳能电池板为bq25570升压充电器24-7供电，那么其平均效率将达到80％，如果太阳能电池提供7.56 mAh /天/0.8 = 9.45，则系统可以从升压充电器输出运行而无需电池兆瓦时/天。

但是，我们每周仅在7个工作日中进行5次充电，而每天仅进行4小时充电，而电池则在2个暗日和非充电时间内提供电力。这意味着太阳能电池板必须提供额外的电量来为电池充电，总电量为9.45 mWh /天x 7天/ 5天/ 4 h /天= 2.65 mW。假设可以提供最小照度的0.025 W / cm2的太阳能电池板，那么我们只需要2.65 mw / 0.025 mW / cm2 = 132 cm2的太阳能电池板面积。

编辑：hfy