【学术论文】具有温差能量收集功能的胎压传感器电路设计
摘要
胎压传感器是一种在汽车上应用多年的无线传感器,但是电能供应一直是制约该传感器使用寿命的一大瓶颈。提出了一种收集环境中热能的方法，设计了一种能量收集电路，实现了胎压传感器的无线无源自供电。利用温差发电器件（TEG）将轮胎内部积蓄的热能转换为电能，并基于LTC3108电源管理芯片设计了一种超低压电能收集电路。实验表明，所设计的电路可以收集低至100 mV，10 mA，1 W能量，并经过一段时间的积累之后成功驱动胎压传感器。
中文引用格式： 王姝，林腾，焦斌斌，等. 具有温差能量收集功能的胎压传感器电路设计[J].电子技术应用，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.
0 引言
胎压传感器是一种低功耗的无线传感器[1]，其安装位置为高速转动的汽车轮胎内部，经常处在一种高温、高压而且快速转动的工况中，现场环境无法提供安全稳定的外部电源。市场上的胎压监测系统普遍使用纽扣电池作为胎压传感器的能量源，在电源耗尽之前需要更换电池，不仅更换起来极为麻烦，而且废旧的电池会对环境造成污染。
传感器无源化指的是不需要外部电源或者电池供电，依靠传感器自身获取自然或环境中能量使传感器正常工作[2]。胎压传感器的无源化可以从根本上解决供电问题，而且实现胎压传感器的无源化具备以下基础：
(1)随着工艺技术的不断提升，胎压传感器的集成度越来越高，需要的外围电路越来越简单，大大地降低了胎压传感器的功耗，比较常见的型号如英飞凌的SP37、恩智浦的FXTH87等。
(2)近几年来针对环境能量的收集技术的研究越来越受到重视，多种形式的能量收集方式被提出，多种高效的能量收集结构被设计出来[3]。
(3)集成电路技术在能量收集电路中的应用，使得能量管理电路的功耗更低，效率更高，多种电能管理芯片被开发出来。
能量收集方式主要根据传感器的工作环境和工况决定，胎压传感器在剧烈运动的工况下工作，并处在一种高温、高压的环境中，适合的收集方式有热电式、压电式和电磁式。国内已经有多个大学对无线无源的胎压监测系统（TPMS）进行了研究并取得了一定的成果。吉林大学设计了压电式能量收集装置，利用收集的能量成功地让胎压传感器正常工作了一段时间[4-5]。南京航空航天大学设计了一种电磁式无线无源胎压监测系统，成功实现了胎压传感器的供电[6]。
压电式和电磁式都是收集汽车轮胎上的振动能量，能量收集装置的振动部件受到疲劳寿命等因素的影响，其可靠性不高，实用性不强。热电式能量收集方式收集的是温差能量，不存在任何的移动部件，结构简单可靠，不需要维护，而且只需要提供足够的热源就输出电能，相对于其他形式的收集方式具有很大的优势。
1 能量收集结构
1.1 发电器件的结构
温差发电器件原理基于塞贝克效应，可以直接将温差能量转化为电能[7]。图1所示为热电器件结构示意图，通常由数百个N型和P型材料的柱体结构组成，从电路上看它们通过串联方式增加温差电势，而在传热方面通过并联连接增加热能的使用效率。当器件两端存在温差时，热场驱动载流子运动并在回路中形成温差电流，以此来输出功率。
1.2 热电器件的理论分析
热电器件的能量输出功率和转化效率通常表示为：
无量纲值ZTM通常用来衡量热电材料性能的优劣。目前在100 ℃以内的热电发电应用中，已经商业化使用的高效率热电材料为碲化铋，其ZTM在0.6~0.7之间[8]。至今为止已发表的文章中ZTM最高达到了2.4[10]，如果能够普及和应用就能大大增强温差发电的能力。
从式(1)和式(2)可以看出，热电器件的输出功率主要由粒子对数n和温差ΔT决定，转化效率主要与材料特性有关。所以，选择高ZTM值的热电材料并且增加粒子对数可以提升热电器件的输出功率。
1.3 热电器件的输出特性分析
图2所示为实验测得的轮胎内外温差曲线，测试地点为北京，时间为2018年5月，室外平均温度25 ℃，平均时速30 km/h。由实验数据可知，随着汽车行驶时间的增加，轮胎内外的温差不断升高并在50 min后超过10 ℃，实验证明行驶的轮胎可以为热电器件提供较高的热流，并提供电能输出。
图3所示为热电器件的输出特性，本实验采用型号为TEG1-241-1.4-1.2的热电器件，每一个器件由241对热电粒子组成，材料为碲化铋。器件的输出电压为毫伏级别，输出功率为微瓦级别，实验数据可知在10 ℃的温差范围下，单片热电器件的开路电压达到了100 mV，且输出电压随着温差不断升高而增大。
2 能量收集电路设计
凌力尔特公司推出了一种电源管理芯片LTC3108，用来实现对微弱能量的管理和利用。电路输入端采用了一个小型的升压变压器，利用一个耗尽型N通道MOSFET开关来形成一个谐振升压振荡器，可以将最低20 mV的电压升高，并提供给其他电路使用。输出端Vout可设定4种不同的电压输出：2.5 V，3 V，3.7 V和4.5 V，输出端Vout2具有逻辑控制功能，Vstore端口可以为电池充电[10]。
2.1 能量收集策略分析
分析胎压传感器的电路可知，胎压传感器的供电电压在3 V左右，而能量收集电路的本质是通过电荷的累积和释放来为传感器供能，当电荷累积不足时，电路就无法提供足够的电压来驱动传感器。需要说明的是，如果将能量收集电路的输出端直接和传感器负载连接，电荷将随着负载回路流失，最终造成驱动电压永远也无法达到可以驱动传感器的电压准线[11]。
图4所示为设计的能量收集策略示意图，首先利用开关将传感器负载和电能输出端隔离开，利用能量收集电路收集电能，并储存在电容中。当电容中的电能储存足够时，控制开关闭合并驱动胎压传感器工作。
2.2 能量收集电路设计
设计选用N-MOS作为开关，通过控制能量收集电路与传感器的电路的负极是否共地来控制电路中的电流。选择英飞凌的SP370传感器作为负载，LTC3108作为能量管理芯片，电容C4作为存储电容。图5所示为设计的电路原理图，变压器T1型号为LPR6235-752RMR，升压比1:50，MOS管S1型号为AO3400。
如图6所示，LTC3108芯片的PGD端口可作为阈值电压检测输出端口。当Vout输出电压达到电压3.4 V时，PGD端口输出高电位信号，但PGD无法直接驱动MOS管，于是将PGD端口与使能端Vout2-EN连接，利用可控输出端Vout2为MOS管提供栅极电压。具体的控制过程如下：
(1)充能状态：当TEGs开始输出电能时，能量收集电路开始工作，电容C4开始存储电能，Vout上升。此时，PGD输出低电平，S1关断，传感器电路与能量收集电路断开。
(2)导通状态：当Vout=3.4 V时，PGD输出高电位，通过使能端控制Vout2=3.3 V，S1接通传感器电路的负极形成回路，并在传感器两端产生驱动电压。
(3)关断状态：传感器电路与能量收集电路接通后，Vout电压下降，PGD不再为使能端Vout2-EN提供高电平信号。电容C3和电阻R1组成延时关断电路控制S1延时关断，为胎压传感器提供足够的工作时间。
3 实验测试与结果
本实验采用可编程线性直流电压电源DP832A模拟100 mV的热电器件电能输出，设定输入电压Vin=100 mV，输入电流Iin=10 mA，输入功率Pin=1 mW。利用安捷伦数字万用表采集存储电容C1两端、N-MOS栅源极和负载两端的电压波形，并分析能量收集电路对微能量的使用效率。
图7所示为在S1的栅源极电压波形，图8为电容C1两端电压波形。试验表明在100 mV，1 mW的毫瓦级的低功率的输入下，Vout2端口成功实现了根据存储电容C1的状态控制MOSFET的接通和断开。图8所示为储能电容C4电压波形，从电压波形可以看出能量收集电路的积累和释放的过程，在每一个周期内，储能电容C4电压在MOSFET的关断时间内上升至3.4 V，在MOSFET的导通期间，电容电压从3.4 V释放电流，并下降至3.15 V，然后在MOSFET的控制下重新开始收集电能。分析数据可知，能量收集电路可以驱动胎压传感器每4.5 s发射一次数据，基本满足了胎压传感器的平时工作要求，具有相当好的实际应用潜力。
4 结论
本文提出了一种应用于胎压传感器的温差能量收集方式，通过分析热电器件的输出特性设计了一款能量收集温差能量的电路，该电路可以通过积累和释放的方式收集电能，实现了在低至100 mV的电压下收集能量，并成功地驱动胎压传感器的工作。需要说明的是，为了增加输出功率和电压，温差发电装置通常由多个热电器件串联起来工作，实际运用中，热电器件的输出电压要远远高于100 mV，胎压传感器的驱动周期也比4.5 s更小。随着科学技术的发展，未来还会有更高ZTM的热电材料得到应用，利用温差能量收集电能来为TPMS供电具备巨大的应用潜力。
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作者信息:
王 姝1，2，林 腾3，焦斌斌2，4，孔延梅2，4，叶雨欣2，4
（1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京100160；2.中国科学院微电子研究所，北京100029；
3.东北电力大学，吉林 吉林 132012；4.中国科学院大学，北京 100049)