无线传感器网络节点太阳能电源系统设计
太阳能电池板未对锂电池进行充电时为了减少LTC4070能量消耗添加三极管Q1，当Q1基极电压下降时将LTC4070与锂电池隔离。在正常充电模式下大部分电流通过Q1流向锂电池。当VCC到达ADJ设置的浮点电压时，LTC4070分流Q1中bc电感测量结的电流持续的减少电池充电电流直至0，并且Q1进入饱和状态。如果热敏电阻T升高浮点电压降低，LTC4070将分流更多的电流，Q1强制进入反偏状态直到电池电压下降。ADJ引脚用于设置浮点电压，当接至地时为4．0 V，接至VCC时为4．2 V，悬空时为4．1 V。当锂电池电压低于3．2 V时LBO拉高D1点亮，当锂电池充电饱和后，HBO拉高，D2点亮。
1．2 供电管理单元
供电管理单元具有2方面的功能：一是为了不使锂电池深度放电，需要对其放电门限进行设置；二是获取当前电池的电压以决定节点采取的功耗模式。
由MAX680及MAX8211构成的锂电池放电门限设置电路如下图3所示。
在该电路中，当锂电池电压下降到由R1和R5所决定的门限电压时，MAX8211就会截止MAX680的供电电压，最后使IRF541处于关闭状态而断开供电电池与负载电路。IRF541功率开关的导通电流小于0．5 mA，关闭漏电流仅为8绕行电感器μA以下。该电路的启动门限Vu和截止门限V1与外加电阻R5，R6和R7之间的关系可由下式给出：
为了能够执行有效的电源管理，需要了解电池能量的储存情况，并根据任务需求和自身能量状态调整工作状态和通信策略。设计中采用LM4041电压基准芯片，有微处理器采样其端电压，并计算电池的实际电压值以供程序处理，其原理图如图4所示。
U4为LM4041—1．2，该芯片为微功耗精密稳压管。电阻Rs负责提供稳压电流IL和负载电流IQ。Rs的取值应满足流过稳压管的电流IQ不超过IQmin和IQmax。Rs的计算公式如下：
式中：当VS取4．2 V，VR取1．2 V，IL+IQ约为120 A，计算出Rs取值约为27 kΩ。在实现过程中，使用ADC0测量稳定电压VQ，选用电池供电电压作为ADC的参考电压Vref。当PC0置“0”时Q3导通，ADC0的读数为ADC_Data。ADC_Data与参考电压Vref的关系如式(4)所示：
式中：VQ为固定值1．2 V；ADC_FS为输入满量程的测量值，是一个常数如10 b的ADC为1 024。由式可以计算出Vref也就得到电池的实际电压。
1．3 电源输出模块
MCU的工作电压一般为2．7～3．3 V，传感器工作电压有3 V和5 V。由于MCU与传感器所需电压不一致，而且锂电池的供电电压为3．7～4．2 V，这就需要进行DC-DC装换。本方案中选用凌特公司的LTC3537芯片。LTC3537具有集成输出断接功能和LD0的2．2 MHz、电流模式同步升压型DC／DC转换器。该器件的升压型转换器内部600 mA开关可从启动时的0．68 V(工作时为0．5 V)至5 V输入电压范围提供高达5．25 V的输出电压，非常适用于锂离子／聚合物或单节／多节碱性／镍氢金属电池应用。LTC3537的应用原理图如图5所示。
将LTC3537的MODE引脚置为低电平工作在PWM模式，ENBST和ENLDO置为高电平工作在正常状态，亦可置为低电平使其截止。大一体电感功率电感两路输出分别为3．3 V和5 V。
2 电源控制流程
根据太阳能电池和锂电池的工作状态，电源的控制流程如图6所示。
3 实验与分析
本设计节点及电源组装如图7所示，实验中采用Micaz节点作为负载节点，将其工作周期设为2％，进行供电实验。
在实验中对太阳能电池板和锂电池电压进行监测，监测间隔为2 h，所得数据如图8所示。实验开始时间为正午12点，系统启动时锂电池为3．7 V，太阳能电池板达到最高输出电压5．1 V，此后锂电池一直进行充电，直至达到饱和电压4插件电感．2 V。进入下午随着太阳光逐渐减弱，太阳能电池板的输出电压逐渐降低。黄昏后太阳能电池板基本无输出并被截断，此时节点进入低功耗模式仅靠锂电池供电，这时采用低功耗方案减少能量消耗，锂电池在黎明时电压降至最低仅3．75V。此后随着太阳光的逐渐增强，锂电池又进入充电状态，在正时午达到最大值，并按上述过程循环。
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