一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统和方法，包括顺次连接的防反接模块、低压保护模块、电源路径控制模块、节能控制和电池电压检测模块；防反接模块用于防止反接，低压保护模块用于进行最低输入电压控制；电源路径控制模块用于进行电源电压稳定和调节控制，使输出电压稳定在规定值范围内；节能控制和电池电压检测模块中直通供电电路用于为无线传感器的微控制器MCU供电，可控供电电路可分别用于为通信电路、测量电路和电池电量检测电路供电。本发明专利技术能够达到能够兼容多种电池(如锂电池、锂亚电池、干电池、铅酸电池等)供电，从而充分利用电池电能之目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统和方法
本专利技术具体涉及一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统和方法。
技术介绍
目前，无线传感器因其安装简单方便，成本低廉，因而得到广泛应用。由于其常用于野外，供电常采用太阳能电池供电或采用一次性电池供电。现在电池的发展越来越趋向体积小、重量轻、容量大、自放电率低的可充电锂电池和一次性使用的锂亚电池等类型品种。对于既可兼容太阳能充电电池和一次电池供电电源，又能充分利用电池能量，提高产品的工程应用环境兼容性，延长维护周期，降低传感器制造成本和使用维护成本问题，不同厂商有不同的解决方案。无线传感器常安装于野外，常采用太阳能电池供电或采用一次性电池供电。现在电池的发展越来越趋向体积小、重量轻、容量大、自放电率低的可充电锂电池和一次性使用的锂亚电池等类型品种。对于太阳能充电电池，如果容量相对较小，遇到长时间阴雨天气，可能导致电池能量不够用。这个解决方法一般是增大电池容量，增加太阳能板功率，就能解决，但带来了成本的增加，体积的增大。对于一次性电池，如果电池使用时间不够长，更换电池人力成本较高。一般解决方法同样是增加电池容量，也会带来了成本的增加。因此如果能在低成本情况下尽可能充分利用电池能量，延长持续工作时间，最终就能减小体积，降低生产成本或使用维护成本。无线传感器因需要进行数据采集、无线通信等，供电电压一般要求在3.0～3.6V之间，在测量、信息发送期间的可靠工作电流需要在300mA以上。目前，可充电锂电池电压范围较宽，对于单节3.6V的可充电锂电池一般释放电压在4.2～2.75V之间；而单节3.6V一次性锂亚电池在常温下释放电压较为恒定，但当温度降低时，其输出电压随之降低，在300mA电流释放下，在-40～80℃温度范围内，输出电压一般在3.7～2.9V之间。要充分利用电池中储存的电能量，又能提供稳定的电压输出，一种方法是采用低压降的LDO来实现。目前比较优秀的LDO电源静态功耗低至典型值15uA以下，但均有一定的压降，具备300mA输出能力的低压降的LDO压降在0.2～0.4V以上，并不能充分利用电池能量，而且可能导致在电池正常输出电压范围内，无线传感器就不能正常工作了；另一种方法是Buck-BoostDC/DC器件，使电源电压输出为稳定到一定的电压值范围内，但这种器件目前静态功耗在40uA以上，对于无线传感器来说，其功耗太大，无法实现总功耗控制。在兼容锂电池、锂亚电池、干电池、铅酸电池等多种电源供电的无线传感器的电源管理器件方面，目前市场上已有的低功耗低压降LDO或在300mA输出状态下，其压降在0.2～0.4V以上。这类LDO静态功耗能做到很低，并且能输出uA级的系统维持电流，有的芯片已做到典型值在15uA以下。但是其压降的存在，当电源电压大于3.6V以上时，输出电流能达到正常输出值，当电源电压低于3.6V时，其输出电流会减小，输入电源电压越低，输出电流越小，不仅不能充分利用电池能量，而且可导致在电池正常输出电压范围内时，无线传感器不正能正常测量或出现通信不可靠。比如单节3.6V一次性锂亚电池，当温度降低时，其输出电压随之降低，在输出300mA电流状态下，温度降到-40℃时，输出电压降到3.0V左右，再经过低压降LDO，其输出电压低于2.8V以下，并且输出电流达不到无线传感器系统工作电流需求；无线传感器因需要进行数据采集、无线通信等，供电电压一般要求在3.0～3.6V之间；因此当温度较低时，采样低功耗低压降LDO进行电压转换供电，可导致无线传感器不能正常工作。另一种方法是使用Buck-BoostDC/DC器件，使电源电压输出为一定的电压值，如3.3V，但其功耗大，工作功耗大于5mA，电源输出极轻负载下(uA级)的静态功耗都在40uA以上，对于无线传感器，其占用的静态功耗比重太大，不适合无线传感器应用场景。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统和方法，在低功耗LDO前增加电源路径控制模块的电源管理方法，使无线传感器电源不仅具有大输出电流，而且满足低功耗、低压降要求，能充分利用电池电能量，还能兼容多种供电电源的应用场景。实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统，包括顺次连接的防反接模块、低压保护模块、电源路径控制模块、节能控制和电池电压检测模块；所述防反接模块用于与输入电源相连，当输入电源正接时，防反接模块输出电源电压信号；所述低压保护模块对防反接模块输出的电源电压信号和设定的阈值电压进行比较，当电源电压信号大于或者等于阀值电压时，低压保护模块输出电源电压信号；所述电源路径控制模块包括直通滤波输出电路和LDO稳压输出电路，当低压保护模块输出的电源电压信号大于无线传感器工作要求最大值时，此电源电压信号经过LDO稳压输出电路输出后给无线传感器供电；当低压保护模块输出的电源电压信号小于或者等于无线传感器工作要求最大值时，此电源电压信号经过直通滤波输出电路后直接给无线传感器供电；所述节能控制和电池电压检测模块采用多路径供电控制，其包括直通供电电路和多个可控供电电路，直通供电电路用于为无线传感器的微控制器MCU供电，可控供电电路可分别用于为通信电路、测量电路和电池电量检测电路供电，可控供电电路由微控制器MCU发出控制信号选通。所述防反接模块包括第一场效应管Q1，第一场效应管Q1的输入端用于与输入电源相连，确保电源正接。所述低压保护模块包括第一支路、第二支路、第三迟滞器U3、第二场效应管Q2；所述第一支路包括第一分压电阻R1和第四分压电阻R4，第一分压电阻R1和第四分压电阻R4的其中一端分别与防反接模块相连，第一分压电阻R1和第四分压电阻R4的另一端相连后接入到第三迟滞器U3的反相输入端；所述第二支路包括限流电阻R2和稳压二极管ZD1，限流电阻R2的其中一端和稳压二极管ZD1的正极分别与防反接模块相连，限流电阻R2的另一端和稳压二极管ZD1的负极相连后接入到第三迟滞器U3的正相输入端；第三迟滞器U3的输出端与第二场效应管Q2的栅极相连，当防反接模块输出的电源电压信号低于设定阀值时，第三迟滞器U3输出高电平信号，使得VGSQ2＝0V，第二场效应管Q2截止；当防反接模块输出的电源电压高于设定阀值时，迟滞器U3输出低电平信号，使得VGSQ2＝-Vin，第二场效应管Q2导通，并输出电源电压信号到电源路径控制模块。所述电源路径控制模块包括直通滤波输出电路和LDO稳压输出电路，直通滤波输出电路和LDO稳压输出电路共用第三分压电阻R3、第五分压电阻R5、第二迟滞比较器U2，第三分压电阻R3和第五分压电阻R5将低压保护模块输出的电源电压信号输入到第二迟滞比较器U2的反相输入端，第二迟滞比较器U2的正相输入端与第三迟滞比较器U3的正相输入端相连；直通滤波输出电路还包括顺次连接的反相器电路、第四场效应管Q4和LC滤波电路，反相器电路由第五场效应管Q5和第六场效应管Q6构成，反相器电路的输入端与第二迟滞比较器U2的输出端相连，反相器电路的输出端控制第四场效应管Q4的通断；所述LC滤波电路的输出端用于与节能控制和电池电压检测模块相连；所述LDO稳压输出电路还包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统，其特征在于：包括顺次连接的防反接模块、低压保护模块、电源路径控制模块、节能控制和电池电压检测模块；所述防反接模块用于与输入电源相连，当输入电源正接时，防反接模块输出电源电压信号；所述低压保护模块对防反接模块输出的电源电压信号和设定的阈值电压进行比较，当电源电压信号大于或者等于阀值电压时，低压保护模块输出电源电压信号；所述电源路径控制模块包括直通滤波输出电路和LDO稳压输出电路，当低压保护模块输出的电源电压信号大于无线传感器工作要求最大值时，此电源电压信号经过LDO稳压输出电路输出后给无线传感器供电；当低压保护模块输出的电源电压信号小于或者等于无线传感器工作要求最大值时，此电源电压信号经过直通滤波输出电路后直接给无线传感器供电；所述节能控制和电池电压检测模块采用多路径供电控制，其包括直通供电电路和多个可控供电电路，直通供电电路用于为无线传感器的微控制器MCU供电，可控供电电路可分别用于为通信电路、测量电路和电池电量检测电路供电，可控供电电路由微控制器MCU发出控制信号选通。

【技术特征摘要】
1.一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统，其特征在于：包括顺次连接的防反接模块、低压保护模块、电源路径控制模块、节能控制和电池电压检测模块；所述防反接模块用于与输入电源相连，当输入电源正接时，防反接模块输出电源电压信号；所述低压保护模块对防反接模块输出的电源电压信号和设定的阈值电压进行比较，当电源电压信号大于或者等于阀值电压时，低压保护模块输出电源电压信号；所述电源路径控制模块包括直通滤波输出电路和LDO稳压输出电路，当低压保护模块输出的电源电压信号大于无线传感器工作要求最大值时，此电源电压信号经过LDO稳压输出电路输出后给无线传感器供电；当低压保护模块输出的电源电压信号小于或者等于无线传感器工作要求最大值时，此电源电压信号经过直通滤波输出电路后直接给无线传感器供电；所述节能控制和电池电压检测模块采用多路径供电控制，其包括直通供电电路和多个可控供电电路，直通供电电路用于为无线传感器的微控制器MCU供电，可控供电电路可分别用于为通信电路、测量电路和电池电量检测电路供电，可控供电电路由微控制器MCU发出控制信号选通。2.根据权利要求1所述的一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统，其特征在于：所述防反接模块包括第一场效应管Q1，第一场效应管Q1的输入端用于与输入电源相连，确保电源正接。3.根据权利要求1所述的一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统，其特征在于：所述低压保护模块包括第一支路、第二支路、第三迟滞器U3、第二场效应管Q2；所述第一支路包括第一分压电阻R1和第四分压电阻R4，第一分压电阻R1和第四分压电阻R4的其中一端分别与防反接模块相连，第一分压电阻R1和第四分压电阻R4的另一端相连后接入到第三迟滞器U3的反相输入端；所述第二支路包括限流电阻R2和稳压二极管ZD1，限流电阻R2的其中一端和稳压二极管ZD1的正极分别与防反接模块相连，限流电阻R2的另一端和稳压二极管ZD1的负极相连后接入到第三迟滞器U3的正相输入端；第三迟滞器U3的输出端与第二场效应管Q2的栅极相连，当防反接模块输出的电源电压信号低于设定阀值时，第三迟滞器U3输出高电平信号，使得VGSQ2＝0V，第二场效应管Q2截止；当防反接模块输出的电源电压高于设定阀值时，迟滞器U3输出低电平信号，使得VGSQ2＝-Vin，第二场效应管Q2导通，并输出电源电压信号到电源路径控制模块。4.根据权利要求1所述的一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统，其特征在于：所述电源路径控制模块包括直通滤波输出电路和LDO稳压输出电路，直通滤波输出电路和LDO稳压输出电路共用第三分压电阻R3、第五分压电阻R5、第二迟滞比较器U2，第三分压电阻R3和第五分压电阻R5将低压保护模块输出的电源电压信号输入到第二迟滞比较器U2的反相输入端，第二迟滞比较器U2的正相输入端与第三迟滞比较器U3的正相输入端相连；直通滤波输出电路还包括顺次连接的反相器电路、第四场效应管Q4和LC滤波电路，反相器电路由第五场效应管Q5和第六场效应管Q6构成，反相器电路的输入端与第二迟滞比较器U2的输出端相连，反相器电路的输出端控制第四场效应管Q4的通断；所述LC滤波电路的输出端用于与节能控制和电池电压检测模块相连；所述LDO稳压输出电路还包括顺次相连的第三场效应管Q3和LDO稳压器U1，第三场效应管Q3的栅极与第二迟滞比较器U2的输出端相连，LDO稳压器U1的输出端用于与节能控制和电池电压检测模块相连。5.根据权利要求1所述的一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗孝兵，华涛，蓝彦，吕敏，凌琪，熊光亚，胡波，李冰，李桂平，刘艳平，景波云，
申请(专利权)人：南京南瑞集团公司，国网电力科学研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32