基于無線傳感器網(wǎng)絡的超潔凈電源設計與應用

鄒蕾 譚建軍 鄂翔宇 宋池 鄭建鄂

摘 ?要： 文中設計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的超潔凈直流供電電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用無線傳感器網(wǎng)絡技術實現(xiàn)同步控制，每一個網(wǎng)絡節(jié)點就是一路直流輸出，多路輸出之間相互獨立。系統(tǒng)設計中充分利用了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點芯片中的單片計算機對電源電路中功率開關的控制，以此實現(xiàn)直流電能的傳遞，阻斷輸入電源引入的高頻干擾。該電源電路經(jīng)仿真分析以及電路測試，主要參數(shù)指標達到設計要求，為特殊電子設備的直流供電提供了解決方案。

關鍵詞： 超潔凈電源; 無線傳感器網(wǎng)絡; 同步控制; 多路輸出; 直流供電; 仿真實驗

中圖分類號： TN365?34; TP391.4 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）02?0124?04

Design and application of ultra?clean power supply based on wireless sensor network

ZOU Lei， TAN Jianjun， E Xiangyu， SONG Chi， ZHENG Jiane

Abstract： An Ultra clean DC power supply system based on wireless sensor network is designed in this paper. In the system， the wireless sensor network technology is utilized to realize the synchronous control. Each network node is one channel DC output， and each of multichannel output is independent. In the design of the system， it is taken full advantage of the single?chip computer in the node chip of the wireless sensor network to control the power switch in the power supply circuit， so as to realize the transmitting of DC electric power and block the high frequency interference introduced by the input power supply. The simulation analysis and circuit test show that the main parameters of the power supply circuit meet the design requirements. It provides a solution for the DC supply power of the special electronic equipment.

Keywords： ultra?clean power supply; wireless sensor network; synchronous control; multichannel output; DC supply power; simulation experiment

0 ?引 ?言

當今電子科學技術飛速發(fā)展，一些特定環(huán)境中的電子設備對直流供電電源的供電質量有很高要求，比如不僅要求電壓穩(wěn)定，還要求不能有任何交流分量和高頻干擾雜波混入其中，有些電子設備還要求多路不同電壓輸出供電。鑒于這些特殊需求，國內外相關科技人員展開了研究，經(jīng)查閱國內外相關文獻，目前國內外研究人員在抑制紋波電壓方面展開了廣泛的研究。文獻[1?2]對紋波電壓的定義、產(chǎn)生的原因、紋波電壓的危害、紋波電壓測量的方法及有效抑制方法等方面做出了研究。文獻[3]介紹了一種對不同紋波分量采用不同頻率進行修正的方案，設計了不同頻帶的二階濾波放大電路。文獻[4]介紹了一種紋波注入濾波方案，設計了一款性價比高的超小紋波開關電源。文獻[5]采用LM5117和CSD18532KCSMOS設計了一款降壓型開關電源，具有紋波電壓小，帶負載能力強，轉換效率高等特點。文獻[6]提出了采用間歇供電方式，節(jié)點處于工作狀態(tài)時切斷噪聲源，節(jié)點處于休眠狀態(tài)時對儲能器件進行充電，由此來得到電路所需的高純凈電源。

以上文獻[1?2]從紋波的產(chǎn)生原因、怎樣抑制紋波產(chǎn)生等方向進行研究，但并沒有給出特別具體的方案，僅僅是更全面地介紹它的產(chǎn)生及帶來的危害等，沒有考慮實際應用方面。文獻[3]考慮了放大器中的紋波問題。文獻[4?5]給出了具體的方案來得到超小紋波的開關電源。文獻[6]考慮了像無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點這種特殊的間歇工作的情況，但它具有特殊性，不適用于絕大多數(shù)情況。但文獻[4?6]都未考慮當一個系統(tǒng)需要多輸出供電的情況中會產(chǎn)生一系列干擾等因素。因此，考慮到以上的情況，本文設計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的超潔凈電源供電電路。

1 ?系統(tǒng)整體設計

本文所設計的系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，其系統(tǒng)整體設計如圖1所示。計算機充當?shù)氖枪芾砜刂栖浖到y(tǒng)，可以顯示超潔凈電源裝置中的電流、電壓以及工作狀態(tài)，還可以實現(xiàn)控制超潔凈電源裝置開通關斷的功能。計算機和協(xié)調器之間可以相互通信。協(xié)調器相當于一個匯聚點，可以對后面的網(wǎng)絡節(jié)點進行通訊控制。將每一個超潔凈電源電路看成一個網(wǎng)絡節(jié)點，也是一路直流輸出。并且多路輸出之間相互獨立，這樣可以有效避免設備間輻射出的高頻干擾[7]。

1.1 ?系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件部分主要由TI公司的無線傳感器網(wǎng)絡芯片CC2530、高隔離度功率開關、高容量值的電容器以及三端線性穩(wěn)壓集成電路等構成。

1.1.1 ?CC2530芯片

CC2530是一款低耗能的集成電路芯片，它采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)。工作時的電流為20 mA，接收模式下，電流消耗低于30 mA;發(fā)射模式下，電流消耗[8]低于40 mA。

CC2530芯片集成了ZigBee射頻前端、內存和微控制器，它使用一個8位的MCU（8051），具有256 KB可編程閃存和8 KB內存RAM，還包含有A/D轉換器、定時器、AES?128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、掉電檢測電路、上電復位電路和21個可編程I/O端口，可以說功能十分強大。CC2530芯片結構框圖如圖2所示。

1.1.2 ?高隔離度功率開關

高隔離度功率開關采用的是功率光耦。它主要有兩大作用，一是能起到功率控制作用。從圖3中可以看出，控制脈沖信號加載到光耦的①②端，通過內部光耦合實現(xiàn)對光敏功率管的控制，通過③④端口去控制電路。二是可以起到高度隔離作用。因為內部是電光電信號傳輸模式，所以電隔離效果好，起到上下級完全隔離的作用，増加了安全性。高隔離度功率開關內部框圖如圖3所示。

1.1.3 ?電路系統(tǒng)結構及工作原理

超潔凈電源電路圖如圖4所示。

電路主要由無線單片機CC2530，功率光耦開關1，2，高容量值的電容器C1，C2，穩(wěn)壓模塊，電阻R1，R2等構成。R1，R2起到一個限流的作用。電路利用CC2530單片機中MCU分析比較產(chǎn)生PWM波，并利用PWM控制電路中的功率光耦開關，使兩個功率光耦開關來回的開通關斷。但是為了保證CC2530單片機能安全穩(wěn)定的工作，需要在特定等級輸出端額外再引一條支路加上3.3 V穩(wěn)壓器給無線單片機CC2530單獨供電。但是要注意是，當電路系統(tǒng)工作時，兩個功率光耦開關通道已經(jīng)形成。當脈沖發(fā)生器驅動后先導通功率光耦開關1而功率光耦開關2處于關斷狀態(tài)。開關穩(wěn)壓電源、功率光耦開關1、電容C1形成一個回路，電路中有電流流通，電容C1進行充電。電容C1充電過程的公式表示為：

[V0=V11-e-tRC] ? ? ? ? ?（1）

輸出電壓[V0]隨著時間上升，但不是直線上升。到達某電壓[V0]時所需要的時間t的公式為：

[V0V1=1-e-tRC] ? ? ? ? ? ? （2）

隨著功率光耦開關1關斷功率光耦開關2導通，電容C1、功率光耦開關2、電容C2形成一個回路，電容C2、三端穩(wěn)壓器、負載形成一個回路。第一個回路中電容C1進行放電，經(jīng)過功率光耦開關2并給電容C2進行充電;第二個回路中電容C2放電，流經(jīng)三端穩(wěn)壓器后就能很好地對此時電流中還有的小起伏進行平滑處理。整個電路，始終將帶有紋波的電源進行了隔離，負載處得到的一直是電容放電階段得到的超潔凈電源。

整個工作期間，功率光耦開關1和功率光耦開關2處于交替開通關斷狀態(tài)，電容C1和C2處于充電放電狀態(tài)。經(jīng)過隔離的辦法避免了交流分量和高頻干擾雜波混入電子設備，保證了電源的純凈，避免了不純凈電源供電對電子設備產(chǎn)生的危害。

1.2 ?系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)功能的實現(xiàn)主要依靠硬件Coordinator和超潔凈電源裝置共同構建的無線傳感器網(wǎng)絡。完成信息的相互通信、實現(xiàn)超潔凈電源裝置的開通關斷，以及超潔凈電源裝置中的電流、電壓及工作狀態(tài)的監(jiān)控。

待設備節(jié)點上電后，具體的通信過程如下：

1） 檢查是否為協(xié)調器Coordinator;

2） 是則立刻建立無線網(wǎng)絡，不是則要先申請加入網(wǎng)絡;

3） 進入監(jiān)測狀態(tài);

4） 根據(jù)實際情況控制功率開關開通關斷，開則利用CC2530單片機中MCU分析比較產(chǎn)生PWM波，關則停止輸出PWM信號。

軟件開發(fā)主要步驟流程如圖5所示。

2 ?結果與分析

2.1 ?仿真方案

在實際的工程應用中，一些特定環(huán)境中的電子設備對直流供電電源的供電質量有很高要求，不僅對電壓穩(wěn)定有要求，還不能允許其中混有任何交流分量和高頻干擾雜波。為了仿真具有代表意義，本次仿真將正弦交流電源和直流電源兩者疊加作為開關電源的輸入信號。正弦交流電源充當干擾源，直流電源充當信號源。

任選一實際工程應用中10 V轉5 V的DC?DC超潔凈電源進行仿真，其標稱電壓是10 V直流，輸出5 V直流。10 V轉5 V的DC?DC超潔凈電源的Proteus仿真實物圖如圖6所示。

圖中：V1為直流信號;V2為正弦交流電源充當干擾源;U1和U2為線性光耦合器PC817;U3為非門;U4為三端穩(wěn)壓器件7805;C1和C2為電容器;CP為時鐘信號源。

2.2 ?超潔凈電源的有效性標準

按圖6的方式連接，如果所設計的供電電源能輸出超潔凈電源，那么，當開關電源的輸入信號處也即V1正弦交流電源充當干擾源和V2直流電源充當信號源兩者疊加作為開關電源的輸入信號時，經(jīng)過一級開關、電容器C1、二級開關、電容器C2、三端穩(wěn)壓器件后應該能得到?jīng)]有混入交流分量和高頻干擾雜波的超潔凈電源，電子設備就能避免不純凈電源供電對其產(chǎn)生的危害。

開關電源的輸出直流中疊加了紋波和噪聲引起的交流信號，紋波主要是開關電源的開關動作造成，波動的頻率與開關的頻率也基本一致，大小與輸入、輸出電容的參數(shù)有關。噪聲主要由電源的拓撲結構、電路中電容和電感的寄生參數(shù)、工作電磁環(huán)境和印制電路板的布線有關[9]。紋波的解決措施主要有：改變電感、電容的參數(shù)以及增加電容電阻緩沖網(wǎng)絡[10]。紋波電流的大小為：

[Δ=V1-V0V0LV1f] ? ? ? ? ? （3）

紋波與電容參數(shù)的關系為：

[V1=ImaxCf] ? ? ? ? ? ?（4）

式中：Imax是紋波的峰值;V1是輸入電壓;V0是輸出電壓。改變電容和頻率都可以降低[Δ]。如果能在仿真中看到上述的推斷，就能證明本文設計的超潔凈電源是有效的。

2.3 ?超潔凈電源的仿真結果和分析

仿真中參數(shù)分別取為V1為10 V直流信號，V2為2 V、1 000 Hz正弦交流電源充當干擾源，U1和U2為線性光耦合器PC817，U3為非門，U4為三端穩(wěn)壓器件7805，C1和C2為1 000 μF，CP為100 Hz時鐘信號源。由Proteus仿真軟件得到10 V轉5 V的DC?DC的超潔凈電源仿真結果如圖7、圖8所示。

圖7中示波器顯示的是經(jīng)過一級開關后的波形圖。通道A顯示的是電容器C1充放電的波形圖，通道B顯示的是含有高次諧波的直流電流的波形圖，通道C顯示的是時鐘信號源電連上非門的波形圖，通道D顯示的是100 Hz時鐘信號源的波形圖?？芍藭r一級開關開通，二級開關關斷。電路中有電流流通，電容C1進行充電，充電過程中夾雜著交流分量和高頻干擾雜波。

圖8中示波器顯示的是經(jīng)過二級開關后的波形圖。通道A顯示的是通過三端穩(wěn)壓器后的直流電波形圖;通道B顯示的是通過二級開關過后的波形圖;通道C顯示的同圖7中A通道相同;通道D顯示的同圖7中B通道相同。可知，此時二級開關開通，一級開關關斷。電容器C1進行放電，放電過程能很清楚地看到?jīng)]有干擾了，因為一級開關的關斷將干擾進行了隔離。隨著二級開關開通，通道B清楚地看到電容器C2的充放電過程中沒有夾雜交流分量和高頻干擾雜波。通道A顯示的波形圖清楚地看出經(jīng)過三端穩(wěn)壓器后將經(jīng)過二級開關的電流中還有的小起伏給平滑處理了。整個電路，始終將帶有干擾的電源進行了隔離，負載處得到的一直是電容放電階段得到超潔凈電源。進一步通過觀察圖9中綠色、玫紅色、深藍色線條表示的電容器C1、電容器C2、負載處的暫態(tài)分析圖。也驗證了超潔凈電源裝置的可行性。

每一個超潔凈電源裝置就是一個網(wǎng)絡節(jié)點，也是一直流輸出，所以選取了6組在實際工程應用中可用到的電壓等級進行仿真實驗，模擬實現(xiàn)多路輸出。仿真結果見表1。1～2組、3～4組、5～6組分別是輸出電壓等級為5 V，9 V，12 V的實驗數(shù)據(jù)?？芍?～2組存在0.000 3 V的電壓差，3～4組存在0.001 6 V的電壓差，5～6組存在0.004 3 V電壓差，電壓調整率分別為0.006%，0.018%，0.036%。實驗結果也都在正常取值范圍，可知超潔凈電源裝置能適用于不同電壓等級上?？筛鶕?jù)需要的電壓等級，選取適當?shù)膮?shù)，改變三端穩(wěn)壓器的型號就能得到，能為絕大多數(shù)電子設備提供潔凈電源。

3 ?結 ?論

由于現(xiàn)在電子設備對直流電源供電提出了很高的要求，所以展開了對直流電源的研究。本文設計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的超潔凈直流供電電路系統(tǒng)，該供電電路系統(tǒng)充分利用CC2530芯片的功能，不僅可以實現(xiàn)對電源電路中功率開關的控制，還能和協(xié)調器之間形成無線同步通信，對各個超潔凈電源實現(xiàn)很好的監(jiān)控，有效查看每一個超潔凈電源的供電狀態(tài)。通過分析上述的實驗數(shù)據(jù)可知，其結果完全能滿足一些特定環(huán)境中的電子設備對直流供電電源供電質量提出的性能要求。

注：本文通訊作者為譚建軍。

參考文獻

[1] 劉揚.模塊電源紋波電壓的測量與有效抑制[J].計量與測試技術，2018（1）：52?53.

[2] 劉本成，朱宏聲.直流電源紋波和噪聲的測量[J].上海計量測試，2016（3）：55?56.

[3] 樂珺，姚恩濤，張明偉，等.基于AD637的直流電源紋波真有效值測量電路設計[J].電源技術，2014，38（10）：1926?1929.

[4] 陳信懷.基于紋波注入濾波方案的超小紋波開關電源設計[J].電子產(chǎn)品界，2016（7）：56?58.

[5] 黃勇，徐邦賢，潘宇.基于LM5117降壓型開關電源的設計[J].數(shù)字技術與應用，2018（5）：170?171.

[6] 劉鋒，徐金梧，陽建宏，等.新型無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點供電方案[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011（3）：57?59.

[7] 宋青，李兆杰.飛艇DC?DC配電器供電系統(tǒng)優(yōu)化設計[J].計算機仿真，2015，32（12）：30?35.

[8] Texas Instruments. CC2530 Data Sheet [EB/OL]. [2011?05?26]. https：//wenku.baidu.com/view/ab1eccd180eb6294dd886c0a.html？qq?pf?to=pcqq.temporaryc2c.

[9] 孫亞中，傅大梅.抑制波紋晶體管開關穩(wěn)壓電源電路設計[J].價值工程，2017，36（35）：122?124.

[10] 方宇杰.開關電源紋波抑制研究[J].現(xiàn)代電子技術，2015，38（10）：136?138.

作者簡介：鄒 ?蕾（1993—），女，湖北石首人，碩士研究生，主要從電力電子、無線傳感器網(wǎng)絡技術的研究與應用。

譚建軍（1960—），男，蒙古族，湖北利川人，教授，主要從電力電子、無線傳感器網(wǎng)絡技術的研究與應用。