簡(jiǎn)化的無(wú)電池?zé)o線(xiàn)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　電機(jī)故障的早期檢測(cè)對(duì)于最大限度地減少停機(jī)時(shí)間和確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備和設(shè)施的安全運(yùn)行至關(guān)重要。使用熱電發(fā)電機(jī) （TEG）、專(zhuān)用電源管理 IC、無(wú)線(xiàn) MCU 和少量附加組件，工程師可以通過(guò)從電機(jī)本身的熱量中提取能量來(lái)構(gòu)建一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠持續(xù)、無(wú)電池運(yùn)行。

　　電機(jī)運(yùn)行特性的顯著變化可能表明電機(jī)即將或潛在的故障。特別是，溫度測(cè)量提供了一種特別有效的電機(jī)性能指標(biāo)，因?yàn)樵S多電氣和機(jī)械問(wèn)題直接導(dǎo)致電機(jī)溫度升高。例如，高溫通常是軸承故障的第一個(gè)跡象。事實(shí)上，溫度升高可能是由于環(huán)境溫度高、電壓不平衡、負(fù)載過(guò)大、污染或進(jìn)氣口阻塞等多種情況造成的——其中任何一種情況都會(huì)削弱電機(jī)性能并縮短其使用壽命。事實(shí)上，經(jīng)驗(yàn)表明，電機(jī)的工作溫度每超過(guò)額定溫度 10°C，電機(jī)的壽命就會(huì)減少 50%。

　　使用一對(duì)現(xiàn)成的 IC，設(shè)計(jì)人員可以構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠執(zhí)行廣泛的測(cè)量，同時(shí)從電機(jī)本身的熱量中獲取能量。在該設(shè)計(jì)的核心，專(zhuān)用的能量收集電源管理 IC （PMIC） 和無(wú)線(xiàn) MCU 提供了提取熱功率和執(zhí)行傳感器測(cè)量所需的基本功能（圖 1）。PMIC 優(yōu)化來(lái)自 TEG 的能量轉(zhuǎn)換并管理可選存儲(chǔ)設(shè)備，而 MCU 使用其集成的模擬外設(shè)收集傳感器數(shù)據(jù)，并使用其集成的 RF 收發(fā)器與主機(jī)控制器或其他設(shè)備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。

　　圖 1：在環(huán)境能源中，熱能可以提供大量電力，尤其是在電機(jī)監(jiān)控應(yīng)用中；能量收集 IC 和無(wú)線(xiàn) MCU 的結(jié)合在很大程度上完成了由該熱源供電并使用 MCU 的集成模擬外設(shè)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集的無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。（德州儀器提供）

　　電源要求

　　能量收集方法使設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建能夠運(yùn)行多年而不需要更換電池甚至根本不需要電池的系統(tǒng)。能量收集應(yīng)用最關(guān)心的問(wèn)題圍繞著能源不僅滿(mǎn)足平均功率要求而且處理周期性峰值功率負(fù)載的能力。對(duì)于無(wú)線(xiàn)應(yīng)用，無(wú)線(xiàn)通信的本質(zhì)就是強(qiáng)調(diào)這些問(wèn)題。

　　當(dāng)系統(tǒng)首先偵聽(tīng)其他設(shè)備然后傳輸其數(shù)據(jù)時(shí)，典型的無(wú)線(xiàn)事務(wù)包括接收和傳輸階段。對(duì)于傳感器系統(tǒng)，這些通信事務(wù)可能僅持續(xù)幾毫秒，但相隔數(shù)秒（或數(shù)分鐘）。因此，系統(tǒng)通常大部分時(shí)間都處于低功耗空閑或睡眠狀態(tài)。因此，無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)的功耗曲線(xiàn)通常以延長(zhǎng)的靜止期為特征，當(dāng)系統(tǒng)從其睡眠狀態(tài)喚醒、執(zhí)行其無(wú)線(xiàn)電事務(wù)并在返回其之前執(zhí)行相關(guān)的后處理例程時(shí)，會(huì)被活動(dòng)突發(fā)周期性地中斷。低功耗睡眠狀態(tài)（圖 2）。

　　圖 2：無(wú)線(xiàn)電接收和傳輸代表了大多數(shù)使用流行通信協(xié)議（如藍(lán)牙低功耗）的小型無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的峰值電流需求，如圖所示。（德州儀器提供）

　　對(duì)于圖 2 所示的藍(lán)牙低功耗 （BLE） 通信事件，德州儀器 （TI） 工程師發(fā)現(xiàn)［1］ CC2541收發(fā)器 IC 的接收和傳輸峰值電流水平為 17.5 mA。在這種情況下，工程師測(cè)量整個(gè)通信事件的平均電流消耗為 8.3 mA，持續(xù)時(shí)間約為 3 毫秒。事實(shí)上，在使用更新的收發(fā)器（例如 TI CC2650 ）的設(shè)計(jì)中，電流要求甚至更低。

　　CC2650 內(nèi)置支持多種無(wú)線(xiàn)協(xié)議，包括一個(gè)片上 2.4 GHz 射頻收發(fā)器，能夠支持 BLE 或 IEEE 802.15.4 無(wú)線(xiàn)通信。除了其 ARM ? Cortex ? -M3 主機(jī)處理器，CC2650 還集成了一個(gè)超低功耗 ARM Cortex-M0 內(nèi)核，專(zhuān)門(mén)用于執(zhí)行無(wú)線(xiàn)堆棧，包括 Bluetooth Smart ?、ZigBee ?和 6LoWPAN。結(jié)果是設(shè)備能夠提供顯著的處理和通信能力，同時(shí)保持能量收集設(shè)計(jì)所需的極低功耗水平。

　　與早期的 CC2541 相比，CC2650 在主動(dòng)接收模式下僅消耗 5.9 mA，在主動(dòng)傳輸 （0 dBm） 下僅消耗 6.1 mA。此外，CC2650 在活動(dòng)狀態(tài)下的功耗僅為約 2.8 mA，而 CC2541 的功耗約為 8.3 mA。因此，使用 CC2650 等最新器件的設(shè)計(jì)中的電流消耗約為 6.1 mA 峰值電流和明顯更低的平均電流——約為早期 CC2541 所需電流的三分之一。

　　同時(shí)，CC2650 具有低功耗空閑模式，僅消耗 500 μA，同時(shí)保持系統(tǒng)電源和 RAM 的供電。事實(shí)上，CC2650 具有低功耗待機(jī)狀態(tài)，僅消耗 1 μA 電流，運(yùn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘并保持 RAM 和 CPU 狀態(tài)。在 500 μA 空閑模式下，器件僅在 14 μs 內(nèi)轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式，但從 1 μA 待機(jī)模式轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式需要 151 μs。盡管許多傳感器應(yīng)用可以放心地用更長(zhǎng)的喚醒時(shí)間換取更低的功耗，但設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)評(píng)估睡眠功率要求和響應(yīng)時(shí)間之間的權(quán)衡。

　　除了這些基本性能要求之外，傳感器數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理當(dāng)然會(huì)增加額外的功率要求。因此，特定的無(wú)線(xiàn)傳感器應(yīng)用會(huì)對(duì)處理負(fù)載和睡眠持續(xù)時(shí)間等因素提出其獨(dú)特的要求。盡管如此，這一快速分析表明，集成無(wú)線(xiàn) MCU（例如 CC2650 甚至 CC2541）將在能量收集設(shè)計(jì)的能力范圍內(nèi)提出電源要求，特別是在旨在使用從工業(yè)電機(jī)收集的能量的應(yīng)用中。

　　電源可用性

　　工業(yè)電機(jī)被指定為允許相對(duì)較高的工作溫度升高。美國(guó)國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì) （NEMA） A 級(jí)電機(jī)的允許溫升為 60°C，而 NEMA F 級(jí)電機(jī)在額定功率（即服務(wù)系數(shù) 1.0）下運(yùn)行時(shí)可升高 125°C。有了這種豐富的熱能，使用 TEG 進(jìn)行能量收集為發(fā)電提供了理想的解決方案。

　　TEG 產(chǎn)生的功率與它們兩個(gè)面之間的溫差成正比。因此，設(shè)計(jì)人員需要采取措施確保 TEG 的“冷”側(cè)的溫度保持顯著低于 TEG 的電機(jī)（熱）側(cè)的溫度。對(duì)于這種應(yīng)用，在大多數(shù)情況下，使用傳統(tǒng)的翅片式散熱器進(jìn)行對(duì)流冷卻可以確保 TEG 上的溫差合理。

　　在環(huán)境溫度高的環(huán)境中，簡(jiǎn)單的對(duì)流冷卻可能只會(huì)導(dǎo)致最小的溫差，同時(shí)會(huì)降低功率輸出。為確保即使在低能量水平下也能實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，設(shè)計(jì)人員需要將 TEG 保持在 TEG 功率曲線(xiàn)上的最大功率點(diǎn)。此外，可能需要使用合適的能量存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)確保穩(wěn)定的電源能夠滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)通信交易期間的峰值需求，盡管持續(xù)能量轉(zhuǎn)換水平較低。

　　專(zhuān)用 PMIC，例如 TI BQ25570滿(mǎn)足這些多重要求：除了最大限度地提高 TEG 的功率輸出外，BQ25570 還可以管理儲(chǔ)能設(shè)備的充電和放電周期，并為無(wú)線(xiàn) MCU 提供穩(wěn)壓電源。BQ25570 專(zhuān)為能量收集而設(shè)計(jì)，甚至能夠從微瓦能源中獲取能量。其集成的充電管理功能使其能夠使用即使是有限的收集功率來(lái)安全地為可充電電池和超級(jí)電容器充電，同時(shí)保護(hù)儲(chǔ)能設(shè)備免受過(guò)壓和欠壓水平的影響。最后，集成電壓轉(zhuǎn)換器為 MCU 和其他電源要求嚴(yán)格的設(shè)備提供穩(wěn)壓電源輸出。憑借其廣泛的集成功能，

　　圖 3：高度集成的電源管理 IC（如 BQ25570）只需幾個(gè)額外的組件即可將熱能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電平，同時(shí)還可以管理外部?jī)?chǔ)能設(shè)備。（德州儀器提供）

　　簡(jiǎn)化的無(wú)電池?zé)o線(xiàn)傳感器系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)選擇在于選擇合適的能量存儲(chǔ)設(shè)備。如前所述，一些電機(jī)監(jiān)控方案可能會(huì)持續(xù)產(chǎn)生足夠的能量來(lái)滿(mǎn)足峰值功率要求。對(duì)于其他應(yīng)用——甚至作為能源豐富環(huán)境的備用電源——超級(jí)電容器為用于擴(kuò)展操作的無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)提供了一種特別有吸引力的解決方案。

　　與容量相當(dāng)?shù)目沙潆婋姵叵啾?，超?jí)電容器可以通過(guò)明顯更多的充電/放電循環(huán)來(lái)保持容量——在許多情況下，要大一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，超級(jí)電容器的漏電流非常低：例如Murata DMF3Z5R5H474M3DTA0470 mF 的超級(jí)電容器漏電流在 96 小時(shí)內(nèi)小于 5 μA。因此，這些設(shè)備非常適合能量受限的應(yīng)用，例如能量收集。同時(shí)，這些器件提供非常靈活的放電速率——例如，DMF3Z5R5H474M3DTA0 提供從 400 μAh 到 1.5 As 的放電速率。此外，這些器件的高存儲(chǔ)容量使它們能夠維持輸出電壓的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)典型無(wú)線(xiàn)事務(wù)事件的持續(xù)時(shí)間，即使在非常高的功率水平下也是如此（圖 4）。

　　圖 4：在無(wú)線(xiàn)收發(fā)器所需的低功率水平下，超級(jí)電容器可以在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)典型無(wú)線(xiàn)事務(wù)持續(xù)時(shí)間的時(shí)間內(nèi)維持電壓輸出水平。（村田提供）

　　結(jié)論

　　無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)由從電機(jī)加熱中提取的熱能提供動(dòng)力，可以提供預(yù)測(cè)電機(jī)故障、防止停機(jī)和確保安全所需的關(guān)鍵信息。工程師可以構(gòu)建一個(gè)有效的無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，除了 TEG 和一對(duì)高度集成的設(shè)備（專(zhuān)用 PMIC 和無(wú)線(xiàn) MCU）之外，只需要幾個(gè)額外的組件。在 PMIC 最大化 TEG 輸出并提供穩(wěn)壓電源的同時(shí)，MCU 收集傳感器數(shù)據(jù)并將其傳遞給主機(jī)。使用這些復(fù)雜的設(shè)備，工程師可以創(chuàng)建能夠持續(xù)無(wú)電池運(yùn)行的電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。