本發(fā)明涉及為無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路及采用該電路實(shí)現(xiàn)的供能方法。

背景技術(shù)：

無源感知網(wǎng)絡(luò)(energy-harvestingwsns,eh-wsns)通常使用太陽能電池(pvcell)獲取環(huán)境中的太陽能能源，但直接將太陽能電池接在無源感知節(jié)點(diǎn)上存在兩個(gè)問題。其一，太陽能電池的輸出功率如圖2中曲線1所示，其功率隨輸出電壓呈凹函數(shù)關(guān)系，因此需要控制其輸出電流，使得輸出功率達(dá)到最大，該方法稱之為最大功率點(diǎn)追蹤(mppt)控制方法。其二，無源感知節(jié)點(diǎn)內(nèi)通常使用大容量電容儲(chǔ)存能量，其充電速度取決于太陽能電池的輸出電壓與儲(chǔ)能電容的電壓差，因此太陽能電池需要使用升壓(boost)等dc-dc電路提高輸出電壓。

現(xiàn)有的mppt-boost方法和產(chǎn)品通常適用于大功率太陽能電池陣列，需要太陽能電池能夠提供充足的能量，并輸出連續(xù)且恒定的電壓。而無源感知節(jié)點(diǎn)受成本和體積限制，其太陽能電池的功率偏小，當(dāng)光照不充足時(shí)輸出功率可能僅為幾毫瓦甚至更低，無法提供足夠的電流供mppt-boost電路工作。其簡化的等效電路如圖3所示，在短時(shí)間內(nèi)(幾分鐘)光照變化不大、輸出功率變化不大的情況下，可將小功率太陽能電池視為具有大內(nèi)阻的恒壓源。太陽能電池產(chǎn)生電壓vs，通過內(nèi)阻rp向電容c1充電，充滿后再供boost電路工作。由于電容c1的放電時(shí)間受容量和電壓限制，因此boost電路僅可工作于pfm模式。要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的mppt控制，需要得知電壓vs、內(nèi)阻rp和電容c1的值，在實(shí)際中，這些值并不確定，如電容c1的偏差可能達(dá)到50％以上，因此首先需要測量這些值?，F(xiàn)有的mppt-boost方法沒有考慮該問題。

另外，無源感知節(jié)點(diǎn)通常是可間斷工作的，不要求連續(xù)供電。在環(huán)境能量較低時(shí)，只有間斷性供電能滿足無源感知網(wǎng)的運(yùn)行要求。而且為了減少能量損耗，mppt算法必須是輕量級的，保留盡量多的能量供給無源感知節(jié)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有缺少無源感知節(jié)點(diǎn)在超低輸入功率情況下的供能問題?，F(xiàn)提供用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路及采用該電路實(shí)現(xiàn)的供能方法。

用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路，它包括太陽能板、電流采樣電阻rs和pmos管q3，它還包括升壓電路(1)和最大功率點(diǎn)追蹤控制電路(2)，

升壓電路(1)包括電感l(wèi)、電解電容c1、電解電容c2、nmos管q1、pmos管q2和二極管d，

最大功率點(diǎn)追蹤控制電路(2)包括電流放大電路(2-1)、電流積分電路(2-2)、電壓采樣電路(2-3)、電壓積分電路(2-4)、電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元和控制器，

太陽能板的正極同時(shí)連接電流采樣電阻rs的一端和電流放大電路(2-1)的同相輸入端，

電阻rs的另一端同時(shí)連接電流放大電路(2-1)的反相輸入端、電解電容c1的正極、電感l(wèi)的一端和電壓采樣電路(2-3)的同相輸入端，

太陽能板的負(fù)極同時(shí)連接電解電容c1的負(fù)極、nmos管q1的源極、電解電容c2的負(fù)極，并接電源地，nmos管q1的柵極連接控制器的pfm端，

電感l(wèi)的另一端同時(shí)連接nmos管q1的漏極和pmos管q2的源級，pmos管q2的柵極連接控制器的c1測量端，pmos管q2的漏極連接二極管d的陽極，二極管d的陰極同時(shí)連接電解電容c2的正極、pmos管q3的源極、電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元的輸入端和控制器的輸出電壓檢測端，當(dāng)電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元檢測升壓電路(1)輸出電壓超過啟動(dòng)電壓時(shí)，電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元開始向最大功率點(diǎn)追蹤控制電路(2)供電，

電流放大電路(2-1)的瞬時(shí)電流信號輸出端同時(shí)連接電流積分電路(2-2)的同相輸入端和控制器的電流瞬時(shí)值端，電流積分電路(2-2)的累計(jì)電流信號輸出端連接控制器的累積電荷量端，電壓采樣電路(2-3)的瞬時(shí)電壓信號輸出端同時(shí)連接電壓積分電路(2-4)的同相輸入端和控制器的電壓瞬時(shí)值端，電壓積分電路(2-4)的累計(jì)電壓信號輸出端連接控制器的電壓平均值端，

電流積分電路(2-2)的歸零信號輸出端和電壓積分電路(2-4)的歸零信號輸出端均連接控制器的歸零端，

pmos管q3的柵極連接控制器的輸出使能端，pmos管q3的漏極和電解電容c2的正極用于為無源感知節(jié)點(diǎn)供能，控制器的通信端用于與無源感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

優(yōu)選地、電流放大電路(2-1)用于放大電阻rs上的電流，電流放大電路(2-1)瞬時(shí)電流信號輸出端輸出值為電流的瞬時(shí)值，

電流積分電路(2-2)內(nèi)部含有nmos管q4，電流積分電路(2-2)的累計(jì)電流信號輸出端輸出值為一段時(shí)間內(nèi)電流的積分，根據(jù)q＝∫i(t)dt，一段時(shí)間內(nèi)電流的積分為輸入的電荷量，該電荷量能夠通過nmos管q4歸零，

電壓采樣電路(2-3)的瞬時(shí)電壓信號輸出端輸出值為電容c1電壓的瞬時(shí)值，

電壓積分電路(2-4)內(nèi)部含有nmos管q5，電壓積分電路(2-4)的累計(jì)電壓信號輸出端輸出值為電容c1電壓的平均值，該平均值能夠通過nmos管q5歸零。

根據(jù)用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路實(shí)現(xiàn)的供能方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一、剛開始上電時(shí)，電解電容c2電壓低于啟動(dòng)電壓，此時(shí)nmos管q1和pmos管q3關(guān)斷，pmos管q2開啟，向電容c2充電，電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元關(guān)斷，最大功率點(diǎn)追蹤控制電路(2)不工作以減少能量浪費(fèi)，保證所有電荷充入電解電容c2；

步驟二、當(dāng)電解電容c2電壓超過啟動(dòng)電壓后，電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元開始向最大功率點(diǎn)追蹤控制電路(2)供電，控制器初始化；

步驟三、設(shè)置電解電容c1的電壓上限vcupper和電壓下限vclower，根據(jù)電解電容c1的電壓上限vcupper、電壓下限vclower、電解電容c1的電容容量及nmos管q1的導(dǎo)通電阻rq1和太陽能板內(nèi)阻rp，得到電解電容c1的充電時(shí)間tcharge和放電時(shí)間tdischarge，根據(jù)tcharge和tdischarge，能夠分別確定驅(qū)動(dòng)nmos管q1pfm信號的高電平時(shí)間和周期；

步驟四、控制器輸出pfm信號給nmos管q1，nmos管q1開啟時(shí)，電解電容c1通過電感l(wèi)對地放電，l內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)磁場；當(dāng)nmos管q1關(guān)閉瞬間，根據(jù)楞次定律，電感l(wèi)應(yīng)維持電流瞬時(shí)不變，該電流流經(jīng)pmos管q2和二極管d，向電解電容c2充電，抬高電解電容c2電壓，當(dāng)電解電容c2輸出電壓超過閾值時(shí)，開啟pmos管q3，向無源感知節(jié)點(diǎn)供電；

步驟五、在向無源感知節(jié)點(diǎn)供電過程中，由電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元檢測到輸出電壓，如果輸出電壓高于5.5v，提高vclower，如果輸出電壓低于3v，降低vclower；

步驟六、控制器每隔1秒鐘通過電流積分電路(2-2)和電壓積分電路(2-4)分別測量輸入的電荷量q和平均電壓u，計(jì)算該秒輸入總功率pt，重復(fù)執(zhí)行步驟三至步驟五；若當(dāng)前時(shí)刻的輸入功率比前一時(shí)刻的輸入功率大，則同向微調(diào)vcupper；若當(dāng)前時(shí)刻的輸入功率比前一時(shí)刻的輸入功率小，則反向微調(diào)vcupper，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤控制，為無源感知節(jié)點(diǎn)供能。

本發(fā)明的有益效果為：

光照不充足時(shí)，太陽能電池可等效為內(nèi)阻較大的電源，此時(shí)nmos管q1的開關(guān)會(huì)導(dǎo)致輸入端電壓電流產(chǎn)生較大的波動(dòng)，由于奈奎斯特定理，采樣頻率至少應(yīng)為pwm/pfm頻率的兩倍，這需要更多的能量執(zhí)行采樣和計(jì)算工作。為減少采樣功耗，本申請使用積分電路計(jì)算電壓和電流的平均值。對于輸入電流，電流在電阻rs上產(chǎn)生的微弱壓降首先通過運(yùn)算放大器u1放大，再將放大后的電流信號送入由運(yùn)算放大器u2構(gòu)成的積分電路，運(yùn)算放大器u2輸出值為一段時(shí)間內(nèi)電流的積分值，即流過的總電荷量，其值可通過nmos管q4歸零。對于輸入電壓，電容c1端電壓經(jīng)電阻分壓后送入由運(yùn)算放大器u3構(gòu)成的電壓跟隨器，隨后送入由運(yùn)算放大器u4構(gòu)成的積分電路，運(yùn)算放大器u4輸出值為一段時(shí)間內(nèi)電壓的平均值，其值可通過nmos管q5歸零。控制器可以隨時(shí)讀取運(yùn)算放大器u1、u3的輸出值得知即時(shí)的電流、電壓值，也可以每隔一段時(shí)間僅讀取一次運(yùn)算放大器u2、u4的輸出值計(jì)算出該時(shí)間段的電壓、電流平均值，進(jìn)而計(jì)算出輸入功率，節(jié)省了頻繁采樣的能耗?？刂破饕部梢噪S時(shí)讀取輸出電壓值，即電容c2的電壓。需注意僅當(dāng)電容c2電壓高于c1時(shí)測量的輸入電流值才有效。

本申請為了保證工作效率，采用下列設(shè)置：

1.運(yùn)算放大器部分的工作電流要低。應(yīng)選用工作電流低的運(yùn)算放大器，同時(shí)運(yùn)算放大器匹配的電阻阻值不宜過小，防止漏電流增大。運(yùn)算放大器的匹配電阻阻值確定后，其量程和精度便已確定。為適應(yīng)較大的量程，運(yùn)算放大器u1應(yīng)選擇較小的放大倍數(shù)，運(yùn)算放大器u2和運(yùn)算放大器u4選擇較大的時(shí)間常數(shù)，通過控制積分時(shí)間調(diào)整測量精度。當(dāng)信號較弱時(shí)延長積分時(shí)間獲取較高的測量精度；當(dāng)信號較強(qiáng)時(shí)縮短積分時(shí)間獲取較快的反應(yīng)速度。

2.場效應(yīng)管q1的輸入電容要小。當(dāng)場效應(yīng)管q1高頻切合時(shí)，較小的輸入電容有利于降低開關(guān)損耗。雖然這會(huì)導(dǎo)致較大的導(dǎo)通電阻，但由于本申請主要用于小電流工況，因此導(dǎo)通電阻增大對本設(shè)計(jì)影響不大。

3.場效應(yīng)管q2為p溝道耗盡型mosfet，如果難以找到適合的型號，可使用增強(qiáng)型mosfet配合適當(dāng)電路代替。

4.電容c1的值過小會(huì)導(dǎo)致電壓變化劇烈，影響mppt效率。為減小esr，可使用多個(gè)電容并聯(lián)。

5.電感l(wèi)的值應(yīng)足夠大，二極管d的正向壓降應(yīng)盡量小，正向壓降小的二極管可以采用肖特基二極管。

6.當(dāng)太陽能電池板沒有足夠的功率時(shí)，本申請不保證連續(xù)供電。

7.電壓下限vclower過高會(huì)明顯影響電容c1充電效率，在保證輸出不過電壓的前提下，電壓下限vclower應(yīng)處于較低水平。

8.電容c1的電壓上限vcupper必須高于電壓下限vclower。

9.pfm的周期應(yīng)有上下界。

10.控制器應(yīng)盡量處于休眠狀態(tài)。為降低功耗，本申請不保證跟蹤速度，控制器應(yīng)處于休眠狀態(tài)并定時(shí)喚醒?？刂破鲬?yīng)當(dāng)盡量使用硬件模塊、定時(shí)器中斷、dma等資源，進(jìn)一步降低能量損耗。當(dāng)檢測到太陽能電池板輸出功率過低時(shí)，應(yīng)降低控制器主頻以節(jié)省能量開銷。

11.當(dāng)能量過于充沛時(shí)，無需pfm信號和最大功率點(diǎn)追蹤控制電路介入，微控制器僅監(jiān)測輸入功率和輸出電壓，以便于及時(shí)介入，或者過電壓保護(hù)。

12、控制器能夠根據(jù)電流積分電路(2-2)、電壓積分電路(2-4)輸出值的乘積，獲得輸入的能量ein，控制器輸出的能量eout：式中，c2為電解電容c2的電容容量，t為時(shí)間，uc2(t)為t時(shí)刻電解電容c2的電壓值。

根據(jù)控制器輸出的能量eout除以輸入的能量ein，得到系統(tǒng)的工作效率，當(dāng)工作效率低于閾值時(shí)(如40％)應(yīng)采用相應(yīng)方案提高供能效率。如1、間斷式供電；2、重新計(jì)算參數(shù)；3、提高輸出電壓。

無源感知節(jié)點(diǎn)采用獲能技術(shù)獲取環(huán)境中的能源，如光能、熱能等，其獲能功率小，能量不穩(wěn)定。本發(fā)明提出了用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能方法，使用mppt配合超低功耗能量感知的升壓電路，在保證輸入功率最大化的前提下，采用提高輸出電壓、間斷供電等方法，用盡量少的功耗提高獲取能量的利用效率，在特定情況下，與現(xiàn)有的無源感知網(wǎng)絡(luò)的供能方案相比工作效率提高了30％以上。提高無源感知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。本申請的無源感知網(wǎng)絡(luò)的供能方案不限定于太陽能采集方式，也不限定無源感知網(wǎng)絡(luò)的類型，適用于不同平臺。

附圖說明

圖1為具體實(shí)施方式一所述的用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為太陽能電池板功率曲線圖，曲線1表示太陽能電池的輸出功率曲線，曲線2表示太陽能電池的電流曲線；

圖3為太陽能電池充電的簡化等效電路。

圖4為實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一、結(jié)合1至圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路，它包括太陽能板、電流采樣電阻rs和pmos管q3，其特征在于，它還包括升壓電路(1)和最大功率點(diǎn)追蹤控制電路(2)，

升壓電路(1)包括電感l(wèi)、電解電容c1、電解電容c2、nmos管q1、pmos管q2和二極管d，

最大功率點(diǎn)追蹤控制電路(2)包括電流放大電路(2-1)、電流積分電路(2-2)、電壓采樣電路(2-3)、電壓積分電路(2-4)、電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元和控制器，

太陽能板的正極同時(shí)連接電流采樣電阻rs的一端和電流放大電路(2-1)的同相輸入端，

電阻rs的另一端同時(shí)連接電流放大電路(2-1)的反相輸入端、電解電容c1的正極、電感l(wèi)的一端和電壓采樣電路(2-3)的同相輸入端，

太陽能板的負(fù)極同時(shí)連接電解電容c1的負(fù)極、nmos管q1的源極、電解電容c2的負(fù)極，并接電源地，nmos管q1的柵極連接控制器的pfm端，

電感l(wèi)的另一端同時(shí)連接nmos管q1的漏極和pmos管q2的源級，pmos管q2的柵極連接控制器的c1測量端，pmos管q2的漏極連接二極管d的陽極，二極管d的陰極同時(shí)連接電解電容c2的正極、pmos管q3的源極、電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元的輸入端和控制器的輸出電壓檢測端，當(dāng)電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元檢測升壓電路(1)輸出電壓超過啟動(dòng)電壓時(shí)，電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元開始向最大功率點(diǎn)追蹤控制電路(2)供電，

電流放大電路(2-1)的瞬時(shí)電流信號輸出端同時(shí)連接電流積分電路(2-2)的同相輸入端和控制器的電流瞬時(shí)值端，電流積分電路(2-2)的累計(jì)電流信號輸出端連接控制器的累積電荷量端，電壓采樣電路(2-3)的瞬時(shí)電壓信號輸出端同時(shí)連接電壓積分電路(2-4)的同相輸入端和控制器的電壓瞬時(shí)值端，電壓積分電路(2-4)的累計(jì)電壓信號輸出端連接控制器的電壓平均值端，

電流積分電路(2-2)的歸零信號輸出端和電壓積分電路(2-4)的歸零信號輸出端均連接控制器的歸零端，

pmos管q3的柵極連接控制器的輸出使能端，pmos管q3的漏極和電解電容c2的正極用于為無源感知節(jié)點(diǎn)供能，控制器的通信端用于與無源感知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

本實(shí)施方式中，電流放大電路(2-1)包括運(yùn)算放大器u1和電阻r21-電阻r24，電阻rs的一端連接電阻r23的一端，電阻r23的另一端同時(shí)連接電阻r24的一端和運(yùn)算放大器u1的同相輸入端，電阻r24的另一端連接電源地，運(yùn)算放大器u1的反相輸入端同時(shí)連接電阻r22的一端和電阻r21的一端，電阻r22的另一端連接電阻rs的另一端，電阻r21的另一端同時(shí)連接電阻r25的一端、運(yùn)算放大器u1的輸出端和控制器的電流瞬時(shí)值端。電流放大電路(2-1)用于采集電阻rs上微弱的電流信號進(jìn)行放大。

電流積分電路(2-2)包括電阻r25、電容c4、nmos管q4、運(yùn)算放大器u2和電阻r26-電阻r28，電流放大電路(2-1)的輸出端連接電阻r25的一端，電阻r25的另一端同時(shí)連接運(yùn)算放大器u2的同相輸入端、nmos管q4的漏極、電容c4的一端和電阻r26的一端，電容c4的另一端同時(shí)連接電阻r27的一端和電源地，電阻r27的另一端同時(shí)連接電阻r28的一端和運(yùn)算放大器u2的反相輸入端，電阻r28的另一端同時(shí)連接運(yùn)算放大器u2的輸出端、電阻r26的另一端和控制器的累積電荷量端。電流積分電路(2-2)的輸出值為一段時(shí)間內(nèi)電流的積分值，即電荷量。

電壓采樣電路(2-3)包括運(yùn)算放大器u3和電阻r29-電阻r31，電阻rs的另一端連接電阻r29的一端，電阻r29的另一端同時(shí)連接電阻r30的一端和運(yùn)算放大器u3的同相輸入端，電阻r30的另一端連接電源地，運(yùn)算放大器u1的反相輸入端連接電阻r31的一端，電阻r31的另一端同時(shí)連接電阻r32的一端、運(yùn)算放大器u3的輸出端和控制器的電壓瞬時(shí)值端。電壓采樣電路(2-3)為電壓跟隨器，用于采集電容c1上的電壓值。為防止輸出電壓過高損壞控制器，c1的電壓通過電阻r29、r30分壓。

電壓積分電路(2-4)的電路組成結(jié)構(gòu)與電流積分電路(2-2)相同，電壓積分電路(2-4)的輸出值為一段時(shí)間內(nèi)電壓的平均值。

電壓積分電路(2-4)包括電阻r32、nmos管q5、電容c5、電阻r33-r35和運(yùn)算放大器u4，

電壓采樣電路(2-3)的輸出端連接電阻r32的一端，電阻r32的另一端同時(shí)連接運(yùn)算放大器u4的同相輸入端、nmos管q5的漏極、電容c5的一端和電阻r33的一端，電容c5的另一端同時(shí)連接電阻r34的一端和電源地，電阻r34的另一端同時(shí)連接電阻r35的一端和運(yùn)算放大器u4的反相輸入端，電阻r35的另一端同時(shí)連接運(yùn)算放大器u4的輸出端、電阻r33的另一端和控制器的電壓平均值端。電壓積分電路(2-4)的輸出值為一段時(shí)間內(nèi)電壓的平均值。

nmos管q4的源極和nmos管q5的源極均連接電源地，nmos管q4的柵極同時(shí)連接nmos管q5的柵極和微控制器的歸零端。

具體實(shí)施方式二、本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式一所述的用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路的進(jìn)一步說明，電流放大電路(2-1)、電流積分電路(2-2)、電壓采樣電路(2-3)和電壓積分電路(2-4)均采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。

具體實(shí)施方式三、本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式一所述的用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路的進(jìn)一步說明，電流放大電路(2-1)用于放大電阻rs上的電流，電流放大電路(2-1)瞬時(shí)電流信號輸出端輸出值為電流的瞬時(shí)值，

電流積分電路(2-2)內(nèi)部含有nmos管q4，電流積分電路(2-2)的累計(jì)電流信號輸出端輸出值為一段時(shí)間內(nèi)電流的積分，根據(jù)q＝∫i(t)dt，一段時(shí)間內(nèi)電流的積分為輸入的電荷量，該電荷量能夠通過nmos管q4歸零，

電壓采樣電路(2-3)的瞬時(shí)電壓信號輸出端輸出值為電容c1電壓的瞬時(shí)值，

電壓積分電路(2-4)內(nèi)部含有nmos管q5，電壓積分電路(2-4)的累計(jì)電壓信號輸出端輸出值為電容c1電壓的平均值，該平均值能夠通過nmos管q5歸零。

具體實(shí)施方式四、本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式一所述的用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路的進(jìn)一步說明，電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元包括電壓檢測單元和穩(wěn)壓單元，電壓檢測單元用于采集升壓電路(1)輸出的電壓進(jìn)入穩(wěn)壓單元進(jìn)行穩(wěn)壓，穩(wěn)壓后輸出的電壓值為控制器提供供電電源。

本實(shí)施方式的效果為：為保證共模輸入電壓處于有效范圍，電流放大電路(2-1)、電流積分電路(2-2)、電壓采樣電路(2-3)、電壓積分電路(2-4)需要較高的電壓，所以，電壓檢測單元直接將升壓電路(1)輸出的電壓給電流放大電路(2-1)、電流積分電路(2-2)、電壓采樣電路(2-3)、電壓積分電路(2-4)，而且要保證電容c2電壓高于c1時(shí)電壓?？刂破餍枰€(wěn)定的電壓以保證adc采樣精度，所以，要經(jīng)過穩(wěn)壓單元提供穩(wěn)壓后的電壓。

具體實(shí)施方式五、本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式一所述的用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路實(shí)現(xiàn)的供能方法，所述方法包括以下步驟：

步驟一、剛開始上電時(shí)，電解電容c2電壓低于啟動(dòng)電壓，此時(shí)nmos管q1和pmos管q3關(guān)斷，pmos管q2開啟，向電容c2充電，電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元關(guān)斷，最大功率點(diǎn)追蹤控制電路(2)不工作以減少能量浪費(fèi)，保證所有電荷充入電解電容c2；

步驟二、當(dāng)電解電容c2電壓超過啟動(dòng)電壓后，電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元開始向最大功率點(diǎn)追蹤控制電路(2)供電，控制器初始化；

步驟三、設(shè)置電解電容c1的電壓上限vcupper和電壓下限vclower，根據(jù)電解電容c1的電壓上限vcupper、電壓下限vclower、電解電容c1的電容容量及nmos管q1的導(dǎo)通電阻rq1和太陽能板內(nèi)阻rp，得到電解電容c1的充電時(shí)間tcharge和放電時(shí)間tdischarge，根據(jù)tcharge和tdischarge，能夠分別確定驅(qū)動(dòng)nmos管q1pfm信號的高電平時(shí)間和周期；

步驟四、控制器輸出pfm信號給nmos管q1，nmos管q1開啟時(shí)，電解電容c1通過電感l(wèi)對地放電，l內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)磁場；當(dāng)nmos管q1關(guān)閉瞬間，根據(jù)楞次定律，電感l(wèi)應(yīng)維持電流瞬時(shí)不變，該電流流經(jīng)pmos管q2和二極管d，向電解電容c2充電，抬高電解電容c2電壓，當(dāng)電解電容c2輸出電壓超過閾值時(shí)，開啟pmos管q3，向無源感知節(jié)點(diǎn)供電；

步驟五、在向無源感知節(jié)點(diǎn)供電過程中，由電壓檢測單元及穩(wěn)壓單元檢測到輸出電壓，如果輸出電壓高于5.5v，提高vclower，如果輸出電壓低于3v，降低vclower；

步驟六、控制器每隔1秒鐘通過電流積分電路(2-2)和電壓積分電路(2-4)分別測量輸入的電荷量q和平均電壓u，計(jì)算該秒輸入總功率pt，重復(fù)執(zhí)行步驟三至步驟五；若當(dāng)前時(shí)刻的輸入功率比前一時(shí)刻的輸入功率大，則同向微調(diào)vcupper；若當(dāng)前時(shí)刻的輸入功率比前一時(shí)刻的輸入功率小，則反向微調(diào)vcupper，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤控制，為無源感知節(jié)點(diǎn)供能。

本實(shí)施方式中，步驟四中的閾值為3v。

具體實(shí)施方式六、本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式五所述的用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路實(shí)現(xiàn)的供能方法的進(jìn)一步說明，步驟三中，電解電容c1的電容容量和太陽能電池內(nèi)阻rp測量，具體為：步驟1、關(guān)閉nmos管q1、pmos管q2和pmos管q3，斷開供電，控制器依靠電解電容c2的剩余電壓維持運(yùn)行，

步驟2、根據(jù)電解電容c2的剩余電壓確?？刂破鞑粫?huì)斷電的時(shí)間tm，

步驟3、通過電壓采樣電路(2-3)測量電解電容c1的電壓u0，通過電流放大電路(2-1)測量充電電流i0，

步驟4、經(jīng)過時(shí)間tm后，再次測量電解電容c1的電壓ut、充電電流it和電流積分電路(2-2)輸出的電荷量qt，

步驟5、q1、q3關(guān)斷，開啟q2，恢復(fù)對最大功率點(diǎn)追蹤控制電路(2)的供電，

步驟6、根據(jù)公式：

c1＝△q/△u＝qt/(ut-u0)，

得到電解電容c1的實(shí)際電容容量c1；

每隔一段時(shí)間，根據(jù)公式：

更新電解電容c1的實(shí)際電容容量c1，

式中，c1(t)為當(dāng)前測量的實(shí)際電容容量，c1為加權(quán)后得到的平滑電容容量，w為權(quán)重且0<w<1，

步驟7、根據(jù)公式：

得到太陽能電池內(nèi)阻的實(shí)際阻值rp；

每隔一段時(shí)間，根據(jù)公式：

更新太陽能電池內(nèi)阻的實(shí)際阻值rp，

式中，rp(t)為當(dāng)前測量的實(shí)際阻值，為加權(quán)后得到的平滑電阻值，w為權(quán)重且0<w<1。

具體實(shí)施方式七、本實(shí)施方式是對具體實(shí)施方式五所述的用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路實(shí)現(xiàn)的供能方法的進(jìn)一步說明，步驟三中，得到電解電容c1的充電時(shí)間tcharge和放電時(shí)間tdischarge，具體為：

電解電容c1充電時(shí)電壓達(dá)到vcupper則停止充電，放電時(shí)電壓達(dá)到vclower則停止放電，則充電時(shí)間tcharge和放電時(shí)間tdischarge根據(jù)公式：

獲得，

式中，rq1為nmos管q1的導(dǎo)通電阻，rp為太陽能電池內(nèi)阻，

根據(jù)tdischarge和tcharge能夠分別確定pfm信號的周期和高電平時(shí)間。

實(shí)施例：

圖4是一個(gè)典型電路，其啟動(dòng)電壓為1.8v，最高輸出電壓6v。選用msp430系列超低功耗微控制器，搭配1個(gè)型號為tsu104的4路超低功耗運(yùn)算放大器u1。啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)自身功耗小于3uw，工作時(shí)系統(tǒng)自身功耗最低可達(dá)30uw，確保能量的高效利用。

參照圖4，本實(shí)施例的用于無源感知網(wǎng)絡(luò)的超低輸入功率供能電路包括升壓電路和最大功率點(diǎn)追蹤控制電路，

升壓電路包括電感l(wèi)、電解電容c1、電解電容c2、nmos管q1和肖特基二極管d1。

由于難以找到適合的耗盡型p溝道m(xù)osfet，此處使用增強(qiáng)型mosfet管q2、q6、電阻r23-r25代替。

最大功率點(diǎn)追蹤控制電路包括電流放大電路(2-1)、電流積分電路(2-2)、電壓采樣電路(2-3)、電壓積分電路(2-4)、型號為ncp300lsn18t1g的電壓檢測單元u4、電容c6-c9、肖特基二極管d2、電阻r20-r22，電阻r27-r29、型號為stlq015m18r的穩(wěn)壓單元u5、pmos管q3、nmos管q5、pmos管q7、晶振y1和型號為msp430g2553的微控制器，

太陽能板pv的正極同時(shí)連接電阻rs的一端和電流放大電路(2-1)的同相輸入端，電阻rs的另一端同時(shí)連接電流放大電路(2-1)的反相輸入端、電壓采樣電路(2-3)的同相輸入端、電解電容c1的正極和電感l(wèi)的一端，太陽能板pv的負(fù)極同時(shí)連接電解電容c1的負(fù)極和電源地，電感l(wèi)的另一端同時(shí)連接nmos管q1的漏極和pmos管q2的源極，nmos管q1的柵極同時(shí)連接電阻r26的一端和控制器msp430g2553的19號引腳，nmos管q1的源極和電阻r26的另一端接電源地，

pmos管q2的漏極連接肖特基二極管d1的陽極，肖特基二極管d1的陰極同時(shí)連接電解電容c2的正極、pmos管q3的源極、電阻r29的一端、型號為ncp300lsn18t1g的電壓檢測單元u4的輸入端、型號為stlq015m18r的穩(wěn)壓單元u5的輸入端、電阻r20的一端和pmos管q7的源極，電解電容c2的負(fù)極接電源地，u4的gnd端接電源地，u4的輸出端同時(shí)連接二極管d2的陽極和運(yùn)算放大器的供電端，二極管d2的負(fù)極同時(shí)連接u5的使能端、電阻r28和電容c6的一端，電阻r28和電容c6的另一端接地，u5的輸出端連接濾波電容c7，并給控制器msp430g2553供電，電阻r29的另一端同時(shí)連接pmos管q3的柵極和pmos管q5b的漏極，pmos管q5b的源極接地，pmos管q5b的柵極連接控制器msp430g2553的18號引腳，pmos管q3的漏極和電源地連接濾波電容c3，用于給無源感知節(jié)點(diǎn)供電，

pmos管q7的柵極同時(shí)連接電阻r20的另一端和nmos管q5a的漏極，pmos管q7的漏極連接電阻r21的一端，電阻r21的另一端同時(shí)連接電阻r22的一端和型號為msp430g2553的控制器的6號引腳，nmos管q5a的柵極連接型號為msp430g2553的控制器的17號引腳，電阻r22的另一端和q5a的源極連接電源地，

pmos管q2的源極同時(shí)連接電阻r24的一端和pmos管q6b的源極，pmos管q6b的柵極同時(shí)連接電阻r24的另一端和nmos管q6a的漏極，pmos管q2的柵極同時(shí)連接電阻r25的一端和pmos管q6b的漏極，nmos管q6a的柵極同時(shí)連接電阻r23的一端和控制器msp430g2553的16號引腳，電阻r25的另一端、電阻r23的另一端和nmos管q6a的源極接電源地。

電流放大電路(2-1)的輸出端連接控制器msp430g2553的2號引腳，電流積分電路(2-2)的輸出端連接控制器msp430g2553的3號引腳，電壓采樣電路(2-3)的輸出端連接控制器msp430g2553的4號引腳，電壓積分電路(2-4)的輸出端連接控制器msp430g25535號引腳，

控制器msp430g2553的26號引腳和27號引腳之間連接一個(gè)32k晶振y1，型號為msp430g2553的控制器的24號引腳同時(shí)連接復(fù)位電阻r27的一端和電容c8的一端，電阻r20的另一端連接u5輸出的電源，電容c8的另一端連接電源地。