《電子技術應用》
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具有溫差能量收集功能的胎壓傳感器電路設計
2019年電子技術應用第5期
王 姝1,2,林 騰3,焦斌斌2,4,孔延梅2,4,葉雨欣2,4
1.國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心,北京100160;2.中國科學院微電子研究所,北京100029; 3.東北電力大學,吉林 吉林 132012;4.中國科學院大學,北京 100049
摘要: 胎壓傳感器是一種在汽車上應用多年的無線傳感器,但是電能供應一直是制約該傳感器使用壽命的一大瓶頸。提出了一種收集環境中熱能的方法,設計了一種能量收集電路,實現了胎壓傳感器的無線無源自供電。利用溫差發電器件(TEG)將輪胎內部積蓄的熱能轉換為電能,并基于LTC3108電源管理芯片設計了一種超低壓電能收集電路。實驗表明,所設計的電路可以收集低至100 mV,10 mA,1 W能量,并經過一段時間的積累之后成功驅動胎壓傳感器。
中圖分類號: TM913
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.183003
中文引用格式: 王姝,林騰,焦斌斌,等. 具有溫差能量收集功能的胎壓傳感器電路設計[J].電子技術應用,2019,45(5):98-101.
英文引用格式: Wang Shu,Lin Teng,Jiao Binbin,et al. Design of tire pressure sensor circuit with temperature difference energy harvesting function[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(5):98-101.
Design of tire pressure sensor circuit with temperature difference energy harvesting function
Wang Shu1,2,Lin Teng3,Jiao Binbin2,4,Kong Yanmei2,4,Ye Yuxin2,4
1.Patent Examination Cooperation Center of SIPO,Beijing 100160,China; 2.Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China; 3.Northeast Electric Power University,Jilin 132012,China;4.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China
Abstract: The tire pressure sensor is a wireless sensor that has been used in automobiles for many years, but the power supply has always been a bottleneck restricting the service life of the sensor. The article proposes a method for collecting heat energy in the environment, designs an energy harvesting circuit and achieves self-power supply of the tire pressure sensor. The thermoelectric generation(TEG) is used to convert the thermal energy accumulated inside the tire into electric energy. An ultra-low voltage electric energy collecting circuit is designed based on the LTC3108 power management chip. Experiments have shown that the designed circuit can collect energy as low as 100 mV, 10 mA, 1 mW, and successfully drive the tire pressure sensor after a period of accumulation.
Key words : tire pressure sensor; energy harvesting circuit; self-power supply

0 引言

    胎壓傳感器是一種低功耗的無線傳感器[1],其安裝位置為高速轉動的汽車輪胎內部,經常處在一種高溫、高壓而且快速轉動的工況中,現場環境無法提供安全穩定的外部電源。市場上的胎壓監測系統普遍使用紐扣電池作為胎壓傳感器的能量源,在電源耗盡之前需要更換電池,不僅更換起來極為麻煩,而且廢舊的電池會對環境造成污染。

    傳感器無源化指的是不需要外部電源或者電池供電,依靠傳感器自身獲取自然或環境中能量使傳感器正常工作[2]。胎壓傳感器的無源化可以從根本上解決供電問題,而且實現胎壓傳感器的無源化具備以下基?。?/p>

    (1)隨著工藝技術的不斷提升,胎壓傳感器的集成度越來越高,需要的外圍電路越來越簡單,大大地降低了胎壓傳感器的功耗,比較常見的型號如英飛凌的SP37、恩智浦的FXTH87等。

    (2)近幾年來針對環境能量的收集技術的研究越來越受到重視,多種形式的能量收集方式被提出,多種高效的能量收集結構被設計出來[3]。

    (3)集成電路技術在能量收集電路中的應用,使得能量管理電路的功耗更低,效率更高,多種電能管理芯片被開發出來。

    能量收集方式主要根據傳感器的工作環境和工況決定,胎壓傳感器在劇烈運動的工況下工作,并處在一種高溫、高壓的環境中,適合的收集方式有熱電式、壓電式和電磁式。國內已經有多個大學對無線無源的胎壓監測系統(TPMS)進行了研究并取得了一定的成果。吉林大學設計了壓電式能量收集裝置,利用收集的能量成功地讓胎壓傳感器正常工作了一段時間[4-5]。南京航空航天大學設計了一種電磁式無線無源胎壓監測系統,成功實現了胎壓傳感器的供電[6]。

    壓電式和電磁式都是收集汽車輪胎上的振動能量,能量收集裝置的振動部件受到疲勞壽命等因素的影響,其可靠性不高,實用性不強。熱電式能量收集方式收集的是溫差能量,不存在任何的移動部件,結構簡單可靠,不需要維護,而且只需要提供足夠的熱源就輸出電能,相對于其他形式的收集方式具有很大的優勢。

1 能量收集結構

1.1 發電器件的結構

    溫差發電器件原理基于塞貝克效應,可以直接將溫差能量轉化為電能[7]。圖1所示為熱電器件結構示意圖,通常由數百個N型和P型材料的柱體結構組成,從電路上看它們通過串聯方式增加溫差電勢,而在傳熱方面通過并聯連接增加熱能的使用效率。當器件兩端存在溫差時,熱場驅動載流子運動并在回路中形成溫差電流,以此來輸出功率。

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1.2 熱電器件的理論分析

    熱電器件的能量輸出功率和轉化效率通常表示為:

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    無量綱值ZTM通常用來衡量熱電材料性能的優劣。目前在100 ℃以內的熱電發電應用中,已經商業化使用的高效率熱電材料為碲化鉍,其ZTM在0.6~0.7之間[8]。至今為止已發表的文章中ZTM最高達到了2.4[10],如果能夠普及和應用就能大大增強溫差發電的能力。

    從式(1)和式(2)可以看出,熱電器件的輸出功率主要由粒子對數n和溫差ΔT決定,轉化效率主要與材料特性有關。所以,選擇高ZTM值的熱電材料并且增加粒子對數可以提升熱電器件的輸出功率。

1.3 熱電器件的輸出特性分析

    圖2所示為實驗測得的輪胎內外溫差曲線,測試地點為北京,時間為2018年5月,室外平均溫度25 ℃,平均時速30 km/h。由實驗數據可知,隨著汽車行駛時間的增加,輪胎內外的溫差不斷升高并在50 min后超過10 ℃,實驗證明行駛的輪胎可以為熱電器件提供較高的熱流,并提供電能輸出。

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    圖3所示為熱電器件的輸出特性,本實驗采用型號為TEG1-241-1.4-1.2的熱電器件,每一個器件由241對熱電粒子組成,材料為碲化鉍。器件的輸出電壓為毫伏級別,輸出功率為微瓦級別,實驗數據可知在10 ℃的溫差范圍下,單片熱電器件的開路電壓達到了100 mV,且輸出電壓隨著溫差不斷升高而增大。

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2 能量收集電路設計

    凌力爾特公司推出了一種電源管理芯片LTC3108,用來實現對微弱能量的管理和利用。電路輸入端采用了一個小型的升壓變壓器,利用一個耗盡型N通道MOSFET開關來形成一個諧振升壓振蕩器,可以將最低20 mV的電壓升高,并提供給其他電路使用。輸出端Vout可設定4種不同的電壓輸出:2.5 V,3 V,3.7 V和4.5 V,輸出端Vout2具有邏輯控制功能,Vstore端口可以為電池充電[10]。

2.1 能量收集策略分析

    分析胎壓傳感器的電路可知,胎壓傳感器的供電電壓在3 V左右,而能量收集電路的本質是通過電荷的累積和釋放來為傳感器供能,當電荷累積不足時,電路就無法提供足夠的電壓來驅動傳感器。需要說明的是,如果將能量收集電路的輸出端直接和傳感器負載連接,電荷將隨著負載回路流失,最終造成驅動電壓永遠也無法達到可以驅動傳感器的電壓準線[11]。

    圖4所示為設計的能量收集策略示意圖,首先利用開關將傳感器負載和電能輸出端隔離開,利用能量收集電路收集電能,并儲存在電容中。當電容中的電能儲存足夠時,控制開關閉合并驅動胎壓傳感器工作。

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2.2 能量收集電路設計

    設計選用N-MOS作為開關,通過控制能量收集電路與傳感器的電路的負極是否共地來控制電路中的電流。選擇英飛凌的SP370傳感器作為負載,LTC3108作為能量管理芯片,電容C4作為存儲電容。圖5所示為設計的電路原理圖,變壓器T1型號為LPR6235-752RMR,升壓比1:50,MOS管S1型號為AO3400。

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    如圖6所示,LTC3108芯片的PGD端口可作為閾值電壓檢測輸出端口。當Vout輸出電壓達到電壓3.4 V時,PGD端口輸出高電位信號,但PGD無法直接驅動MOS管,于是將PGD端口與使能端Vout2-EN連接,利用可控輸出端Vout2為MOS管提供柵極電壓。具體的控制過程如下:

    (1)充能狀態:當TEGs開始輸出電能時,能量收集電路開始工作,電容C4開始存儲電能,Vout上升。此時,PGD輸出低電平,S1關斷,傳感器電路與能量收集電路斷開。

    (2)導通狀態:當Vout=3.4 V時,PGD輸出高電位,通過使能端控制Vout2=3.3 V,S1接通傳感器電路的負極形成回路,并在傳感器兩端產生驅動電壓。

    (3)關斷狀態:傳感器電路與能量收集電路接通后,Vout電壓下降,PGD不再為使能端Vout2-EN提供高電平信號。電容C3和電阻R1組成延時關斷電路控制S1延時關斷,為胎壓傳感器提供足夠的工作時間。

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3 實驗測試與結果

    本實驗采用可編程線性直流電壓電源DP832A模擬100 mV的熱電器件電能輸出,設定輸入電壓Vin=100 mV,輸入電流Iin=10 mA,輸入功率Pin=1 mW。利用安捷倫數字萬用表采集存儲電容C1兩端、N-MOS柵源極和負載兩端的電壓波形,并分析能量收集電路對微能量的使用效率。

    圖7所示為在S1的柵源極電壓波形,圖8為電容C1兩端電壓波形。試驗表明在100 mV,1 mW的毫瓦級的低功率的輸入下,Vout2端口成功實現了根據存儲電容C1的狀態控制MOSFET的接通和斷開。圖8所示為儲能電容C4電壓波形,從電壓波形可以看出能量收集電路的積累和釋放的過程,在每一個周期內,儲能電容C4電壓在MOSFET的關斷時間內上升至3.4 V,在MOSFET的導通期間,電容電壓從3.4 V釋放電流,并下降至3.15 V,然后在MOSFET的控制下重新開始收集電能。分析數據可知,能量收集電路可以驅動胎壓傳感器每4.5 s發射一次數據,基本滿足了胎壓傳感器的平時工作要求,具有相當好的實際應用潛力。

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4 結論

    本文提出了一種應用于胎壓傳感器的溫差能量收集方式,通過分析熱電器件的輸出特性設計了一款能量收集溫差能量的電路,該電路可以通過積累和釋放的方式收集電能,實現了在低至100 mV的電壓下收集能量,并成功地驅動胎壓傳感器的工作。需要說明的是,為了增加輸出功率和電壓,溫差發電裝置通常由多個熱電器件串聯起來工作,實際運用中,熱電器件的輸出電壓要遠遠高于100 mV,胎壓傳感器的驅動周期也比4.5 s更小。隨著科學技術的發展,未來還會有更高ZTM的熱電材料得到應用,利用溫差能量收集電能來為TPMS供電具備巨大的應用潛力。

參考文獻

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[10] QU Y,LIU Y.Applied research of energy collection system based on LTC3108[J].Machine Building & Automation,2015(4).

[11] MEEHAN A,GAO H,LEWANDOWSKI Z.Energy harvesting with microbial fuel cell and power management system[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,26(1):176-181.



作者信息:

王  姝1,2,林  騰3,焦斌斌2,4,孔延梅2,4,葉雨欣2,4

(1.國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心,北京100160;2.中國科學院微電子研究所,北京100029;

3.東北電力大學,吉林 吉林 132012;4.中國科學院大學,北京 100049)