基于无线传感器网络的超洁净电源设计与应用

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　　摘  要： 文中设计一种基于无线传感器网络的超洁净直流供电电路系统，该系统利用无线传感器网络技术实现同步控制，每一个网络节点就是一路直流输出，多路输出之间相互独立。系统设计中充分利用了无线传感器网络节点芯片中的单片计算机对电源电路中功率开关的控制，以此实现直流电能的传递，阻断输入电源引入的高频干扰。该电源电路经仿真分析以及电路测试，主要参数指标达到设计要求，为特殊电子设备的直流供电提供了解决方案。
　　关键词： 超洁净电源; 无线传感器网络; 同步控制; 多路输出; 直流供电; 仿真实验
　　中图分类号： TN365?34; TP391.4                文献标识码： A                       文章编号： 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
　　当今电子科学技术飞速发展，一些特定环境中的电子设备对直流供电电源的供电质量有很高要求，比如不仅要求电压稳定，还要求不能有任何交流分量和高频干扰杂波混入其中，有些电子设备还要求多路不同电压输出供电。鉴于这些特殊需求，国内外相关科技人员展开了研究，经查阅国内外相关文献，目前国内外研究人员在抑制纹波电压方面展开了广泛的研究。文献[1?2]对纹波电压的定义、产生的原因、纹波电压的危害、纹波电压测量的方法及有效抑制方法等方面做出了研究。文献[3]介绍了一种对不同纹波分量采用不同频率进行修正的方案，设计了不同频带的二阶滤波放大电路。文献[4]介绍了一种纹波注入滤波方案，设计了一款性价比高的超小纹波开关电源。文献[5]采用LM5117和CSD18532KCSMOS设计了一款降压型开关电源，具有纹波电压小，带负载能力强，转换效率高等特点。文献[6]提出了采用间歇供电方式，节点处于工作状态时切断噪声源，节点处于休眠状态时对储能器件进行充电，由此来得到电路所需的高纯净电源。
　　以上文献[1?2]从纹波的产生原因、怎样抑制纹波产生等方向进行研究，但并没有给出特别具体的方案，仅仅是更全面地介绍它的产生及带来的危害等，没有考虑实际应用方面。文献[3]考虑了放大器中的纹波问题。文献[4?5]给出了具体的方案来得到超小纹波的开关电源。文献[6]考虑了像无线传感器网络节点这种特殊的间歇工作的情况，但它具有特殊性，不适用于绝大多数情况。但文献[4?6]都未考虑当一个系统需要多输出供电的情况中会产生一系列干扰等因素。因此，考虑到以上的情况，本文设计了一种基于无线传感器网络的超洁净电源供电电路。
　　1  系统整体设计
　　本文所设计的系统主要由硬件和软件两部分组成，其系统整体设计如图1所示。计算机充当的是管理控制软件系统，可以显示超洁净电源装置中的电流、电压以及工作状态，还可以实现控制超洁净电源装置开通关断的功能。计算机和协调器之间可以相互通信。协调器相当于一个汇聚点，可以对后面的网络节点进行通讯控制。将每一个超洁净电源电路看成一个网络节点，也是一路直流输出。并且多路输出之间相互独立，这样可以有效避免设备间辐射出的高频干扰[7]。 　　1.1  系统硬件设计
　　系统硬件部分主要由TI公司的无线传感器网络芯片CC2530、高隔离度功率开关、高容量值的电容器以及三端线性稳压集成电路等构成。
　　1.1.1  CC2530芯片
　　CC2530是一款低耗能的集成电路芯片，它采用0.18 μm CMOS工艺生产。工作时的电流为20 mA，接收模式下，电流消耗低于30 mA;发射模式下，电流消耗[8]低于40 mA。
　　CC2530芯片集成了ZigBee射频前端、内存和微控制器，它使用一个8位的MCU（8051），具有256 KB可编程闪存和8 KB内存RAM，还包含有A/D转换器、定时器、AES?128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、掉电检测电路、上电复位电路和21个可编程I/O端口，可以说功能十分强大。CC2530芯片结构框图如图2所示。
　　1.1.2  高隔离度功率开关
　　高隔离度功率开关采用的是功率光耦。它主要有两大作用，一是能起到功率控制作用。从图3中可以看出，控制脉冲信号加载到光耦的①②端，通过内部光耦合实现对光敏功率管的控制，通过③④端口去控制电路。二是可以起到高度隔离作用。因为内部是电光电信号传输模式，所以电隔离效果好，起到上下级完全隔离的作用，増加了安全性。高隔离度功率开关内部框图如图3所示。
　　1.1.3  电路系统结构及工作原理
　　超洁净电源电路图如图4所示。
　　电路主要由无线单片机CC2530，功率光耦开关1，2，高容量值的电容器C1，C2，稳压模块，电阻R1，R2等构成。R1，R2起到一个限流的作用。电路利用CC2530单片机中MCU分析比较产生PWM波，并利用PWM控制电路中的功率光耦开关，使两个功率光耦开关来回的开通关断。但是为了保证CC2530单片机能安全稳定的工作，需要在特定等级输出端额外再引一条支路加上3.3 V稳压器给无线单片机CC2530单独供电。但是要注意是，当电路系统工作时，两个功率光耦开关通道已经形成。当脉冲发生器驱动后先导通功率光耦开关1而功率光耦开关2处于关断状态。开关稳压电源、功率光耦开关1、电容C1形成一个回路，电路中有电流流通，电容C1进行充电。电容C1充电过程的公式表示为：
　　[V0=V11-e-tRC]          （1）
　　输出电压[V0]随着时间上升，但不是直线上升。到达某电压[V0]时所需要的时间t的公式为：
　　[V0V1=1-e-tRC]             （2）
　　随着功率光耦开关1关断功率光耦开关2导通，电容C1、功率光耦开关2、电容C2形成一个回路，电容C2、三端稳压器、负载形成一个回路。第一个回路中电容C1进行放电，经过功率光耦开关2并给电容C2进行充电;第二个回路中电容C2放电，流经三端稳压器后就能很好地对此时电流中还有的小起伏进行平滑处理。整个电路，始终将带有纹波的电源进行了隔离，负载处得到的一直是电容放电阶段得到的超洁净电源。
　　整个工作期间，功率光耦开关1和功率光耦开关2处于交替开通关断状态，电容C1和C2处于充电放电状态。经过隔离的办法避免了交流分量和高频干扰杂波混入电子设备，保证了电源的纯净，避免了不纯净电源供电对电子设备产生的危害。
　　1.2  系统软件设计
　　系统功能的实现主要依靠硬件Coordinator和超洁净电源装置共同构建的无线传感器网络。完成信息的相互通信、实现超洁净电源装置的开通关断，以及超洁净电源装置中的电流、电压及工作状态的监控。
　　待设备节点上电后，具体的通信过程如下：
　　1） 檢查是否为协调器Coordinator;
　　2） 是则立刻建立无线网络，不是则要先申请加入网络;
　　3） 进入监测状态;
　　4） 根据实际情况控制功率开关开通关断，开则利用CC2530单片机中MCU分析比较产生PWM波，关则停止输出PWM信号。
　　软件开发主要步骤流程如图5所示。
　　2  结果与分析
　　2.1  仿真方案
　　在实际的工程应用中，一些特定环境中的电子设备对直流供电电源的供电质量有很高要求，不仅对电压稳定有要求，还不能允许其中混有任何交流分量和高频干扰杂波。为了仿真具有代表意义，本次仿真将正弦交流电源和直流电源两者叠加作为开关电源的输入信号。正弦交流电源充当干扰源，直流电源充当信号源。
　　任选一实际工程应用中10 V转5 V的DC?DC超洁净电源进行仿真，其标称电压是10 V直流，输出5 V直流。10 V转5 V的DC?DC超洁净电源的Proteus仿真实物图如图6所示。
　　图中：V1为直流信号;V2为正弦交流电源充当干扰源;U1和U2为线性光耦合器PC817;U3为非门;U4为三端稳压器件7805;C1和C2为电容器;CP为时钟信号源。
　　2.2  超洁净电源的有效性标准
　　按图6的方式连接，如果所设计的供电电源能输出超洁净电源，那么，当开关电源的输入信号处也即V1正弦交流电源充当干扰源和V2直流电源充当信号源两者叠加作为开关电源的输入信号时，经过一级开关、电容器C1、二级开关、电容器C2、三端稳压器件后应该能得到没有混入交流分量和高频干扰杂波的超洁净电源，电子设备就能避免不纯净电源供电对其产生的危害。
　　开关电源的输出直流中叠加了纹波和噪声引起的交流信号，纹波主要是开关电源的开关动作造成，波动的频率与开关的频率也基本一致，大小与输入、输出电容的参数有关。噪声主要由电源的拓扑结构、电路中电容和电感的寄生参数、工作电磁环境和印制电路板的布线有关[9]。纹波的解决措施主要有：改变电感、电容的参数以及增加电容电阻缓冲网络[10]。纹波电流的大小为： 　　[Δ=V1-V0V0LV1f]           （3）
　　纹波与电容参数的关系为：
　　[V1=ImaxCf]            （4）
　　式中：Imax是纹波的峰值;V1是输入电压;V0是输出电压。改变电容和频率都可以降低[Δ]。如果能在仿真中看到上述的推断，就能证明本文设计的超洁净电源是有效的。
　　2.3  超洁净电源的仿真结果和分析
　　仿真中参数分别取为V1为10 V直流信号，V2为2 V、1 000 Hz正弦交流电源充当干扰源，U1和U2为线性光耦合器PC817，U3为非门，U4为三端稳压器件7805，C1和C2为1 000 μF，CP为100 Hz时钟信号源。由Proteus仿真软件得到10 V转5 V的DC?DC的超洁净电源仿真结果如图7、图8所示。
　　图7中示波器显示的是经过一级开关后的波形图。通道A显示的是电容器C1充放电的波形图，通道B显示的是含有高次谐波的直流电流的波形图，通道C显示的是时钟信号源电连上非门的波形图，通道D显示的是100 Hz时钟信号源的波形图。可知，此时一级开关开通，二级开关关断。电路中有电流流通，电容C1进行充电，充电过程中夹杂着交流分量和高频干扰杂波。
　　图8中示波器显示的是经过二级开关后的波形图。通道A显示的是通过三端稳压器后的直流电波形图;通道B显示的是通过二级开关过后的波形图;通道C显示的同图7中A通道相同;通道D显示的同图7中B通道相同。可知，此时二级开关开通，一级开关关断。电容器C1进行放电，放电过程能很清楚地看到没有干扰了，因为一级开关的关断将干扰进行了隔离。随着二级开关开通，通道B清楚地看到电容器C2的充放电过程中没有夹杂交流分量和高频干扰杂波。通道A显示的波形图清楚地看出经过三端稳压器后将经过二级开关的电流中还有的小起伏给平滑处理了。整个电路，始终将带有干扰的电源进行了隔离，负载处得到的一直是电容放电阶段得到超洁净电源。进一步通过观察图9中绿色、玫红色、深蓝色线条表示的电容器C1、电容器C2、负载处的暂态分析图。也验证了超洁净电源装置的可行性。
　　每一个超洁净电源装置就是一个网络节点，也是一直流输出，所以选取了6组在实际工程应用中可用到的电压等级进行仿真实验，模拟实现多路输出。仿真结果见表1。1～2组、3～4组、5～6组分别是输出电压等级为5 V，9 V，12 V的实验数据。可知1～2组存在0.000 3 V的电压差，3～4组存在0.001 6 V的电压差，5～6组存在0.004 3 V电压差，电压调整率分别为0.006%，0.018%，0.036%。实验结果也都在正常取值范围，可知超洁净电源装置能适用于不同电压等级上。可根据需要的电压等级，选取适当的参数，改变三端稳压器的型号就能得到，能为绝大多数电子设备提供洁净电源。
　　3  结  论
　　由于现在电子设备对直流电源供电提出了很高的要求，所以展开了对直流电源的研究。本文设计一种基于无线传感器网络的超洁净直流供电电路系统，该供电电路系统充分利用CC2530芯片的功能，不仅可以实现对电源电路中功率开关的控制，还能和协调器之间形成无线同步通信，对各个超洁净电源实现很好的监控，有效查看每一个超洁净电源的供电状态。通过分析上述的实验数据可知，其结果完全能满足一些特定环境中的电子设备对直流供电电源供电质量提出的性能要求。
　　注：本文通讯作者为谭建軍。
　　参考文献
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　　作者简介：邹  蕾（1993—），女，湖北石首人，硕士研究生，主要从电力电子、无线传感器网络技术的研究与应用。
　　谭建军（1960—），男，蒙古族，湖北利川人，教授，主要从电力电子、无线传感器网络技术的研究与应用。
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