CN106655375B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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-Boost DC/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-Boost DC/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。
发明内容
针对上述问题，本发明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，本发明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；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(VCCmax)时，第二迟滞比较器U2输出低电平信号，使得VGSQ3＝-Vin，第三场效应管Q3导通，电源电压信号经过LDO稳压U1输出电路输出后给无线传感器供电，同时，使得反相器电路第五场效应管Q5的VGSQ5＝-Vin，第五场效应管Q5导通，第六场效应管Q6的VGSQ6＝0，第六场效应管Q6截止，反相器输出高电平信号，使得直通滤波输出电路第四场效应管Q4的VGSQ4＝0，Q4关闭；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(VCCmax)时，第二迟滞比较器U2输出高电平信号，使得VGSQ3＝0，第三场效应管Q3截止，同时，使得反相器电路第五场效应管Q5的VGSQ5＝0，Q5截止，第六场效应管Q6的VGSQ6＝Vin，第六场效应管Q6导通，反相器输出低电平信号，使得直通滤波输出电路第四场效应管Q4的VGSQ4＝-Vin，第四场效应管Q4导通，电源电压信号经过滤波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的直通供电电路为导线，直通供电电路的其中一端与电源路径控制模块相连，另一端用于与无线传感器的微控制器MCU相连，用于为无线传感器的微控制器MCU供电；
所述可控供电电路包括一个场效应管，场效应管的栅极与无线传感器的微控制器MCU相连，微控制器MCU产生控制信号来控制场效应管的通断，场效应管的源极与电源路径控制模块相连。
一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统的管理方法，包括以下步骤：
步骤一：将电源电压信号输入到防反接模块，当防反接模块检测到电源为正接时导通，并输出电源电压信号；
步骤二：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，当防反接模块输出的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；
步骤三：判断低压保护模块输出电源电压信号与无线传感器工作要求值的关系，当检测到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电源路径控制模块中的LDO稳压输出电路输出，当检测到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电源路径控制模块中直通滤波输出电路滤波后直接给无线传感器供电；
步骤四：节能控制和电池电压检测模块接收电源路径控制模块输出的电压信号，节能控制和电池电压检测模块中的直通供电电路用于为无线传感器的微控制器MCU供电，节能控制和电池电压检测模块中的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。
所述步骤二中的设定的阈值电压为传感器电源电压最小值。
所述防反接模块包括第一场效应管Q1，第一场效应管Q1的输入端用于与电源相连，确保电源正接。
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。
所述节能控制和电池电压检测模块的直通供电电路为导线，直通供电电路的其中一端与电源路径控制模块相连，另一端用于与无线传感器的微控制器MCU相连，用于为无线传感器的微控制器MCU供电；
所述可控供电电路包括一个场效应管，场效应管的栅极与无线传感器的微控制器MCU相连，微控制器MCU产生控制信号来控制场效应管的通断，场效应管的源极与电源路径控制模块相连。
本发明的有益效果：
本发明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，进行分级保护和路径控制，其在常规稳压电路中增加一个电源路径控制电路，当电源电压高于设定阀值(如3.6V)，将电源切换到常规稳压电路一侧；当电源电压低于设定阀值(如3.6V)，将电源切换到直通供电一侧，直接给设备供电，压降极低，仅为毫伏级。从而能够实现当电池电压降低到3.3V及以下时，设备仍能正常工作，能充分利用电池的能量。同时，其能够兼容输出电压在3～6V之间的各类电池供电的电源使用环境，大大提高设备的应用环境适应能力。同时其采用设备供电路径控制，常在线的设备直通供电，其余设备仅在需要工作时短暂供电，最大化节能，延迟电池供电周期。
附图说明
图1为本发明一种实施例的多级多路径的无线传感器电源管理方法示意图。
图2为本发明一种实施例的结构示意图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明的一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统及方法，其针对采用电池供电，特别是锂电池类电池供电的无线传感器进行设计，电源系统具有低功耗、低压降、大负载能力等特性。采用多级控制方法实现反接保护、低压保护、稳压控制、节能控制、电池电量检测等功能；采用多路径控制方法，实现低压降稳压功能和节能管理功能，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，达到充分利用电池电能之目的。
本发明在低功耗LDO稳压器前增加电源路径控制模块，当无线传感器的电池电压低于要求值(3.6V)时，不再经过稳压芯片，无压降直接给无线传感器供电，实现电源输出电压在3.0-3.6V之间的目的，并能充分利用电池电能量。
如图2所示，一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统，采用4级级联和2级多路径控制方法，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；
所述防反接模块用于与输入电源相连，检测输入电源的极性，当输入电源正接时，防反接模块输出电源电压信号；
所述低压保护模块用于进行最低输入电压控制，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；当输入电源电压小于阈值电压时，低压保护模块不导通，能够防止电池电压降得过低不稳定工作状态出现，并且还可以保护电池过度放电；
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(共2条电流路径)，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，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滤波后直接给无线传感器供电；用于进行电源电压稳定和调节控制，使输出的电源电压信号稳定在规定值范围内，并且实现低压降、大负载能力输出；
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(优选为低电平信号)选通，可控供电电路仅在需要工作时由微控制器MCU发出低电平信号，开通相关可控供电电路，达到最大化节能的目的。在本发明的一种实施例中，所述节能控制和电池电压检测模块包括一个直通供电电路和两个可控供电电路，形成3条电流路径。优选地，直通供电电路还可以用于为无线传感器的其他常在线设备供电；可控供电电路还可以用于为无线传感器的其他不常在线设备供电。
所述防反接模块包括第一场效应管Q1，第一场效应管Q1的输入端用于与电源相连，确保电源正接。优选地，第一场效应管Q1为PMOS场效应管，其栅极与输入电源的负极相连，第一场效应管Q1的源极与输入电源的正极相连，进行电源反向保护控制，当电源极性接反时(即Vin<Gnd)，第一场效应管Q1截止，阻断电路导通，输入电源无法给无线传感器供电，当输入电源接入极性正确时(即Vin>Gnd)，第一场效应管Q1导通，允许输入电源输出到下一级电路，达到保护内部电路的目的，具体见图1。
优选地，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(优选地，第一分压电阻R1和第四分压电阻R4的其中一端分别与第一场效应管Q1的栅极和漏极相连)，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(优选地，限流电阻R2的其中一端和稳压二极管ZD1的正极分别与第一场效应管Q1的栅极和漏极相连)，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，当低压保护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VGSQ2＝0V，第二场效应管Q2截止；当低压保护模块输出的电源电压高于设定阀值时，迟滞器U2输出低电平信号，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，用于给设备供电。
优选地，所述电源路径控制模块包括直通滤波输出电路(路径32)和LDO稳压输出电路(路径31)，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(即第三分压电阻R3和第五分压电阻R5串联形成串联电路后，串联电路的两端分别与第二场效应管Q2的漏极和稳压二极管ZD1的正极相连)，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(优选为PMOS管)和第六场效应管Q6(优选为NMOS管)构成，其中，Q5和Q6的栅极均与U2的输出端相连，Q5和Q6的漏极相连，Q5的源极与Q2的漏极相连，Q6的源极与ZD1的正极相连，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，当反向器电路输出高电平时，第四场效应管Q4截止，当反向器电路输出低电平时，第四场效应管Q4导通，此路径压降极低，负载能力强，使电源输出电压稳定在规定值之内，同时具备较大电流输出能力，满足无线传感器正常工作电流需求；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。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(VCCmax)时，第二迟滞比较器U2输出低电平信号，使得VGSQ3＝-Vin，第三场效应管Q3导通，电源电压信号经过LDO稳压U1输出电路输出后给无线传感器供电，同时，使得反相器电路第五场效应管Q5的VGSQ5＝-Vin，第五场效应管Q5导通，第六场效应管Q6的VGSQ6＝0，第六场效应管Q6截止，反相器输出高电平信号，使得直通滤波输出电路第四场效应管Q4的VGSQ4＝0，Q4关闭；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(VCCmax)时，第二迟滞比较器U2输出高电平信号，使得VGSQ3＝0，第三场效应管Q3截止，同时，使得反相器电路第五场效应管Q5的VGSQ5＝0，Q5截止，第六场效应管Q6的VGSQ6＝Vin，第六场效应管Q6导通，反相器输出低电平信号，使得直通滤波输出电路第四场效应管Q4的VGSQ4＝-Vin，第四场效应管Q4导通，电源电压信号经过滤波电路后直接给无线传感器供电。
优选地，所述节能控制和电池电压检测模块的直通供电电路为导线，直通供电电路的其中一端与电源路径控制模块相连，另一端用于与无线传感器的微控制器MCU相连，用于为无线传感器的微控制器MCU供电；
优选地，所述可控供电电路包括一个场效应管，场效应管的栅极与无线传感器的微控制器MCU相连，微控制器MCU产生控制信号来控制场效应管的通断。
一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统的管理方法，包括以下步骤：
步骤一：将电源电压信号输入到防反接模块，当防反接模块检测到电源为正接时导通，并输出电源电压信号；
步骤二：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，当防反接模块输出的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；
步骤三：判断低压保护模块输出电源电压信号与无线传感器工作要求值的关系，当检测到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值时，此电源电压信号经过电源路径控制模块中的LDO稳压输出电路输出，当检测到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值时，此电源电压信号经过电源路径控制模块中直通滤波输出电路滤波后直接给无线传感器供电；
步骤四：节能控制和电池电压检测模块接收电源路径控制模块输出的电压信号，节能控制和电池电压检测模块中的直通供电电路用于为无线传感器的微控制器MCU供电，节能控制和电池电压检测模块中的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(低电平信号)选通。
优选地，所述步骤二中的设定的阈值电压为传感器电源最小值，在本发明的一种实施例中，传感器电源最小值为3V。
优选地，所述防反接模块包括第一场效应管Q1，第一场效应管Q1的输入端用于与电源相连，确保电源正接。
优选地，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，当反向器电路输出高电平时，第四场效应管Q4截止，当反向器电路输出低电平时，第四场效应管Q4导通；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。
优选地，所述节能控制和电池电压检测模块的直通供电电路为导线，直通供电电路的其中一端与电源路径控制模块相连，另一端用于与无线传感器的微控制器MCU相连，用于为无线传感器的微控制器MCU供电；
优选地，所述可控供电电路包括一个场效应管，场效应管的栅极与无线传感器的微控制器MCU相连，微控制器MCU产生控制信号来控制场效应管的通断。
实施例1
本实施例的具体实施电路如图1和2所示。图1中，第I级、第II级、第III级和第IV级分别代表防反接模块、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。
在本实例中能实现兼容输3.6V可充电锂电池、4节干电池串接或3.6V理亚电池等电池供电情况，电源电压要求在3～3.6V之间，最大负载电流为300mA的无线传感器电源管理。
在图1中，防反接模块由Q1构成，其输出与低压保护模块的输入相连。其利用功率型PMOS场效应管的VGSQ1<0V导通的特性；当输入电源接线正常时，VGSQ1＝-Vin，Q1导通，电源电压信号经Q1后直接给低压保护模块供电；当输入电源接反时，VGSQ1＝Vin，因而Q1无法导通，处于关闭状态，起到保护内部电路作用。
低压保护模块由第三迟滞器U3、第二场效应管Q2、第一分压电阻R1、第四分压电阻R4、限流电阻R2、稳压二极管ZD1构成，稳压二极管ZD1提供基准电压，当电源电压信号低于设定阀值3V时，迟滞比较器U3输出高电平信号(电平与输入电压一致)，使VGSQ2＝0V，功率型PMOS场效应管Q2截止，避免电源电压过低，无线传感器工作不稳定状态出现，同时可保护电池不过度放电；当电源电压信号高于设定阀值3V时，迟滞比较器U3输出低电平信号，VGSQ2＝-Vin，功率型PMOS场效应管Q2导通，输出电源电压信号给电源路径控制模块，可以给设备供电。为避免在临界电压点出现不稳定关断或开通，迟滞比较器U3的迟滞电压设置为50mV。
第III级的电源路径控制模块由第三分压电阻R3、第五分压电阻R5、第二迟滞比较器U2、第四场效应管Q4、第三场效应管Q3、电感L1、电容C1～C6及二极管D1构成2条电流路径控制及稳压电路。当电源电压高于3.6V时，迟滞比较器U2输出低电平信号，VGSQ3＝-Vin，控制第三场效应管Q3导通，电源经LDO稳压路径(路径31)给LDO稳压后给无线传感器供电，与此同时，第二迟滞比较器U2输出低电平信号经Q5、Q6组成的反向器输出高电平，第四场效应管Q4关断，切断电源直通路径(路径32)；当电源电压低于3.6V，迟滞比较器U2输出高电平信号，控制第三场效应管Q3关闭，断开LDO稳压路径(路径31)，第二迟滞比较器U2输出高电平信号经Q5、Q6组成的反向输出低电平信号，第四场效应管Q4导通，电源经直通路径(路径32)流经L1、C5与C6组成的π型结构滤波电路，滤波后，直接给无线传感器供电，此路径电源压降很低，小于10mV，并且输出电流较大(仅受功率型PMOS场效应管最大电流限制，一般都在几安培以上，远远大于系统电流需求)。在电源路径控制模块中，将迟滞比较器U2的迟滞电压设置为50mV，避免电源电压降到零界点，电流路径频繁切换。结合第II级的低压保护模块控制，实现将输出电压稳定在3～3.6V范围内，确保无线传感器正常工作。
第IV级的节能控制和电池电压检测模块由第七场效应管Q7、第八场效应管Q8将电源分割为3条供电路径，分别给常在线MCU设备M2、间断工作通信设备M4、定时测量设备M3和电池电量检测设备M1供电。常在线设备M2通过直通供电路径(路径41)供电，间断工作设备M4通过可控供电路径(路径43)供电，定时测量设备M1、M3通过可控供电路径(路径42)供电。路径42、路径43的路径控制信号由无线传感器的MCU产生，其仅在需要工作时MCU发出低电平信号，开通相关供电路径，达到最大化节能的目的。
本发明的实施电路实例图1中M1～M4为无线传感器用电设备，其余器件构成完整的电源管理电路，所有关键器件均选用低功耗器件，如迟滞比较器U2、迟滞比较器U3可选用TLV3691，其功耗低于150nA，低功耗LDO(低压差线性稳压器)U1可选用MAX604ESA，其静态功耗小于15uA，在供电电源为6.5V的情况下，R1与R4，R3与R5组成的分压电路电流均小于1uA，R2与ZD1组成的基准电源电路功耗小于4uA，因而本发明电源管理方法实施实例电路总功耗低于25uA，特别是在电源切换到电源直通供电一侧时功耗低于10uA。电源管理中的关键功率型PMOS场效应管可选择开通电阻小于20mΩ的器件，当电源切换到电源直通供电一侧时，在最大功耗为300mA时，输出给用电设备的电源压降低于30mV。
总体上，实施实例中所有电源管理电路中器件均采用低功耗、低压降器件，可实现总功耗IQ<25uA，直通供电时负载调整压降低于VLDR<30mV，电源管理电路功耗低，压降小，确保在电池电压降低时无线传感器仍能正常工作，电池能量能够充分利用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
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；
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：所述节能控制和电池电压检测模块的直通供电电路为导线，直通供电电路的其中一端与电源路径控制模块相连，另一端用于与无线传感器的微控制器MCU相连，用于为无线传感器的微控制器MCU供电；
所述可控供电电路包括一个场效应管，场效应管的栅极与无线传感器的微控制器MCU相连，微控制器MCU产生控制信号来控制场效应管的通断，场效应管的源极与电源路径控制模块相连。
5.一种基于多级多路径控制的无线传感器电源管理系统的管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将电源电压信号输入到防反接模块，当防反接模块检测到电源为正接时导通，并输出电源电压信号；
步骤二：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，当防反接模块输出的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；
步骤三：判断低压保护模块输出电源电压信号与无线传感器工作要求最大值的关系，当检测到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电源路径控制模块中的LDO稳压输出电路输出，当检测到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电源路径控制模块中直通滤波输出电路滤波后直接给无线传感器供电；
步骤四：节能控制和电池电压检测模块接收电源路径控制模块输出的电压信号，节能控制和电池电压检测模块中的直通供电电路用于为无线传感器的微控制器MCU供电，节能控制和电池电压检测模块中的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。
6.根据权利要求5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的管理方法，其特征在于：所述步骤二中的设定的阈值电压为传感器工作要求电压最小值。
7.根据权利要求5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的管理方法，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的输入端用于与电源相连，确保电源正接。
8.根据权利要求5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的管理方法，其特征在于：所述节能控制和电池电压检测模块的直通供电电路为导线，直通供电电路的其中一端与电源路径控制模块相连，另一端用于与无线传感器的微控制器MCU相连，用于为无线传感器的微控制器MCU供电；
所述可控供电电路包括一个场效应管，场效应管的栅极与无线传感器的微控制器MCU相连，微控制器MCU产生控制信号来控制场效应管的通断，场效应管的源极与电源路径控制模块相连。
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