本發(fā)明具體涉及一種基于多級(jí)多路徑控制的無線傳感器電源管理系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

目前，無線傳感器因其安裝簡單方便，成本低廉，因而得到廣泛應(yīng)用。由于其常用于野外，供電常采用太陽能電池供電或采用一次性電池供電?，F(xiàn)在電池的發(fā)展越來越趨向體積小、重量輕、容量大、自放電率低的可充電鋰電池和一次性使用的鋰亞電池等類型品種。對(duì)于既可兼容太陽能充電電池和一次電池供電電源，又能充分利用電池能量，提高產(chǎn)品的工程應(yīng)用環(huán)境兼容性，延長維護(hù)周期，降低傳感器制造成本和使用維護(hù)成本問題，不同廠商有不同的解決方案。

無線傳感器常安裝于野外，常采用太陽能電池供電或采用一次性電池供電?，F(xiàn)在電池的發(fā)展越來越趨向體積小、重量輕、容量大、自放電率低的可充電鋰電池和一次性使用的鋰亞電池等類型品種。對(duì)于太陽能充電電池，如果容量相對(duì)較小，遇到長時(shí)間陰雨天氣，可能導(dǎo)致電池能量不夠用。這個(gè)解決方法一般是增大電池容量，增加太陽能板功率，就能解決，但帶來了成本的增加，體積的增大。對(duì)于一次性電池，如果電池使用時(shí)間不夠長，更換電池人力成本較高。一般解決方法同樣是增加電池容量，也會(huì)帶來了成本的增加。因此如果能在低成本情況下盡可能充分利用電池能量，延長持續(xù)工作時(shí)間，最終就能減小體積，降低生產(chǎn)成本或使用維護(hù)成本。

無線傳感器因需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、無線通信等，供電電壓一般要求在3.0～3.6V之間，在測量、信息發(fā)送期間的可靠工作電流需要在300mA以上。目前，可充電鋰電池電壓范圍較寬，對(duì)于單節(jié)3.6V的可充電鋰電池一般釋放電壓在4.2～2.75V之間；而單節(jié)3.6V一次性鋰亞電池在常溫下釋放電壓較為恒定，但當(dāng)溫度降低時(shí)，其輸出電壓隨之降低，在300mA電流釋放下，在-40～80℃溫度范圍內(nèi)，輸出電壓一般在3.7～2.9V之間。

要充分利用電池中儲(chǔ)存的電能量，又能提供穩(wěn)定的電壓輸出，一種方法是采用低壓降的LDO來實(shí)現(xiàn)。目前比較優(yōu)秀的LDO電源靜態(tài)功耗低至典型值15uA以下，但均有一定的壓降，具備300mA輸出能力的低壓降的LDO壓降在0.2～0.4V以上，并不能充分利用電池能量，而且可能導(dǎo)致在電池正常輸出電壓范圍內(nèi)，無線傳感器就不能正常工作了；另一種方法是Buck-Boost DC/DC器件，使電源電壓輸出為穩(wěn)定到一定的電壓值范圍內(nèi)，但這種器件目前靜態(tài)功耗在40uA以上，對(duì)于無線傳感器來說，其功耗太大，無法實(shí)現(xiàn)總功耗控制。

在兼容鋰電池、鋰亞電池、干電池、鉛酸電池等多種電源供電的無線傳感器的電源管理器件方面，目前市場上已有的低功耗低壓降LDO或在300mA輸出狀態(tài)下，其壓降在0.2～0.4V以上。這類LDO靜態(tài)功耗能做到很低，并且能輸出uA級(jí)的系統(tǒng)維持電流，有的芯片已做到典型值在15uA以下。但是其壓降的存在，當(dāng)電源電壓大于3.6V以上時(shí)，輸出電流能達(dá)到正常輸出值，當(dāng)電源電壓低于3.6V時(shí)，其輸出電流會(huì)減小，輸入電源電壓越低，輸出電流越小，不僅不能充分利用電池能量，而且可導(dǎo)致在電池正常輸出電壓范圍內(nèi)時(shí)，無線傳感器不正能正常測量或出現(xiàn)通信不可靠。比如單節(jié)3.6V一次性鋰亞電池，當(dāng)溫度降低時(shí)，其輸出電壓隨之降低，在輸出300mA電流狀態(tài)下，溫度降到-40℃時(shí)，輸出電壓降到3.0V左右，再經(jīng)過低壓降LDO，其輸出電壓低于2.8V以下，并且輸出電流達(dá)不到無線傳感器系統(tǒng)工作電流需求；無線傳感器因需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、無線通信等，供電電壓一般要求在3.0～3.6V之間；因此當(dāng)溫度較低時(shí)，采樣低功耗低壓降LDO進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換供電，可導(dǎo)致無線傳感器不能正常工作。另一種方法是使用Buck-Boost DC/DC器件，使電源電壓輸出為一定的電壓值，如3.3V，但其功耗大，工作功耗大于5mA，電源輸出極輕負(fù)載下(uA級(jí))的靜態(tài)功耗都在40uA以上，對(duì)于無線傳感器，其占用的靜態(tài)功耗比重太大，不適合無線傳感器應(yīng)用場景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種基于多級(jí)多路徑控制的無線傳感器電源管理系統(tǒng)和方法，在低功耗LDO前增加電源路徑控制模塊的電源管理方法，使無線傳感器電源不僅具有大輸出電流，而且滿足低功耗、低壓降要求，能充分利用電池電能量，還能兼容多種供電電源的應(yīng)用場景。

實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于多級(jí)多路徑控制的無線傳感器電源管理系統(tǒng)，包括順次連接的防反接模塊、低壓保護(hù)模塊、電源路徑控制模塊、節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊；

所述防反接模塊用于與輸入電源相連，當(dāng)輸入電源正接時(shí)，防反接模塊輸出電源電壓信號(hào)；

所述低壓保護(hù)模塊對(duì)防反接模塊輸出的電源電壓信號(hào)和設(shè)定的閾值電壓進(jìn)行比較，當(dāng)電源電壓信號(hào)大于或者等于閥值電壓時(shí)，低壓保護(hù)模塊輸出電源電壓信號(hào)；

所述電源路徑控制模塊包括直通濾波輸出電路和LDO穩(wěn)壓輸出電路，當(dāng)?shù)蛪罕Ｗo(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)大于無線傳感器工作要求最大值時(shí)，此電源電壓信號(hào)經(jīng)過LDO穩(wěn)壓輸出電路輸出后給無線傳感器供電；當(dāng)?shù)蛪罕Ｗo(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)小于或者等于無線傳感器工作要求最大值時(shí)，此電源電壓信號(hào)經(jīng)過直通濾波輸出電路后直接給無線傳感器供電；

所述節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊采用多路徑供電控制，其包括直通供電電路和多個(gè)可控供電電路，直通供電電路用于為無線傳感器的微控制器MCU供電，可控供電電路可分別用于為通信電路、測量電路和電池電量檢測電路供電，可控供電電路由微控制器MCU發(fā)出控制信號(hào)選通。

所述防反接模塊包括第一場效應(yīng)管Q1，第一場效應(yīng)管Q1的輸入端用于與輸入電源相連，確保電源正接。

所述低壓保護(hù)模塊包括第一支路、第二支路、第三遲滯器U3、第二場效應(yīng)管Q2；所述第一支路包括第一分壓電阻R1和第四分壓電阻R4，第一分壓電阻R1和第四分壓電阻R4的其中一端分別與防反接模塊相連，第一分壓電阻R1和第四分壓電阻R4的另一端相連后接入到第三遲滯器U3的反相輸入端；所述第二支路包括限流電阻R2和穩(wěn)壓二極管ZD1，限流電阻R2的其中一端和穩(wěn)壓二極管ZD1的正極分別與防反接模塊相連，限流電阻R2的另一端和穩(wěn)壓二極管ZD1的負(fù)極相連后接入到第三遲滯器U3的正相輸入端；第三遲滯器U3的輸出端與第二場效應(yīng)管Q2的柵極相連，當(dāng)防反接模塊輸出的電源電壓信號(hào)低于設(shè)定閥值時(shí)，第三遲滯器U3輸出高電平信號(hào)，使得VGS_Q2＝0V，第二場效應(yīng)管Q2截止；當(dāng)防反接模塊輸出的電源電壓高于設(shè)定閥值時(shí)，遲滯器U3輸出低電平信號(hào)，使得VGS_Q2＝-Vin，第二場效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，并輸出電源電壓信號(hào)到電源路徑控制模塊。

所述電源路徑控制模塊包括直通濾波輸出電路和LDO穩(wěn)壓輸出電路，直通濾波輸出電路和LDO穩(wěn)壓輸出電路共用第三分壓電阻R3、第五分壓電阻R5、第二遲滯比較器U2，第三分壓電阻R3和第五分壓電阻R5將低壓保護(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)輸入到第二遲滯比較器U2的反相輸入端，第二遲滯比較器U2的正相輸入端與第三遲滯比較器U3的正相輸入端相連；直通濾波輸出電路還包括順次連接的反相器電路、第四場效應(yīng)管Q4和LC濾波電路，反相器電路由第五場效應(yīng)管Q5和第六場效應(yīng)管Q6構(gòu)成，反相器電路的輸入端與第二遲滯比較器U2的輸出端相連，反相器電路的輸出端控制第四場效應(yīng)管Q4的通斷；所述LC濾波電路的輸出端用于與節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊相連；所述LDO穩(wěn)壓輸出電路還包括順次相連的第三場效應(yīng)管Q3和LDO穩(wěn)壓器U1，第三場效應(yīng)管Q3的柵極與第二遲滯比較器U2的輸出端相連，LDO穩(wěn)壓器U1的輸出端用于與節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊相連；當(dāng)?shù)蛪罕Ｗo(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)大于無線傳感器工作要求最大值(VCCmax)時(shí)，第二遲滯比較器U2輸出低電平信號(hào)，使得VGS_Q3＝-Vin，第三場效應(yīng)管Q3導(dǎo)通，電源電壓信號(hào)經(jīng)過LDO穩(wěn)壓U1輸出電路輸出后給無線傳感器供電，同時(shí)，使得反相器電路第五場效應(yīng)管Q5的VGS_Q5＝-Vin，第五場效應(yīng)管Q5導(dǎo)通，第六場效應(yīng)管Q6的VGS_Q6＝0，第六場效應(yīng)管Q6截止，反相器輸出高電平信號(hào)，使得直通濾波輸出電路第四場效應(yīng)管Q4的VGS_Q4＝0，Q4關(guān)閉；當(dāng)?shù)蛪罕Ｗo(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)小于或者等于無線傳感器工作要求最大值(VCCmax)時(shí)，第二遲滯比較器U2輸出高電平信號(hào)，使得VGS_Q3＝0，第三場效應(yīng)管Q3截止，同時(shí)，使得反相器電路第五場效應(yīng)管Q5的VGS_Q5＝0，Q5截止，第六場效應(yīng)管Q6的VGS_Q6＝Vin，第六場效應(yīng)管Q6導(dǎo)通，反相器輸出低電平信號(hào)，使得直通濾波輸出電路第四場效應(yīng)管Q4的VGS_Q4＝-Vin，第四場效應(yīng)管Q4導(dǎo)通，電源電壓信號(hào)經(jīng)過濾波電路后直接給無線傳感器供電。

所述節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊的直通供電電路為導(dǎo)線，直通供電電路的其中一端與電源路徑控制模塊相連，另一端用于與無線傳感器的微控制器MCU相連，用于為無線傳感器的微控制器MCU供電；

所述可控供電電路包括一個(gè)場效應(yīng)管，場效應(yīng)管的柵極與無線傳感器的微控制器MCU相連，微控制器MCU產(chǎn)生控制信號(hào)來控制場效應(yīng)管的通斷，場效應(yīng)管的源極與電源路徑控制模塊相連。

一種基于多級(jí)多路徑控制的無線傳感器電源管理系統(tǒng)的管理方法，包括以下步驟：

步驟一：將電源電壓信號(hào)輸入到防反接模塊，當(dāng)防反接模塊檢測到電源為正接時(shí)導(dǎo)通，并輸出電源電壓信號(hào)；

步驟二：低壓保護(hù)模塊對(duì)防反接模塊輸出的電源電壓信號(hào)和設(shè)定的閾值電壓進(jìn)行比較，當(dāng)防反接模塊輸出的電源電壓信號(hào)大于或者等于閥值電壓時(shí)，低壓保護(hù)模塊輸出電源電壓信號(hào)；

步驟三：判斷低壓保護(hù)模塊輸出電源電壓信號(hào)與無線傳感器工作要求值的關(guān)系，當(dāng)檢測到低壓保護(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)大于無線傳感器工作要求最大值時(shí)，此電源電壓信號(hào)經(jīng)過電源路徑控制模塊中的LDO穩(wěn)壓輸出電路輸出，當(dāng)檢測到低壓保護(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)小于或者等于無線傳感器工作要求最大值時(shí)，此電源電壓信號(hào)經(jīng)過電源路徑控制模塊中直通濾波輸出電路濾波后直接給無線傳感器供電；

步驟四：節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊接收電源路徑控制模塊輸出的電壓信號(hào)，節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊中的直通供電電路用于為無線傳感器的微控制器MCU供電，節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊中的可控供電電路可分別用于為通信電路、測量電路和電池電量檢測電路供電，可控供電電路由微控制器MCU發(fā)出控制信號(hào)選通。

所述步驟二中的設(shè)定的閾值電壓為傳感器電源電壓最小值。

所述防反接模塊包括第一場效應(yīng)管Q1，第一場效應(yīng)管Q1的輸入端用于與電源相連，確保電源正接。

所述電源路徑控制模塊包括直通濾波輸出電路和LDO穩(wěn)壓輸出電路，直通濾波輸出電路和LDO穩(wěn)壓輸出電路共用第三分壓電阻R3、第五分壓電阻R5、第二遲滯比較器U2，第三分壓電阻R3和第五分壓電阻R5將低壓保護(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)輸入到第二遲滯比較器U2的反相輸入端，第二遲滯比較器U2的正相輸入端與第三遲滯比較器U3的正相輸入端相連；直通濾波輸出電路還包括順次連接的反相器電路、第四場效應(yīng)管Q4和LC濾波電路，反相器電路由第五場效應(yīng)管Q5和第六場效應(yīng)管Q6構(gòu)成，反相器電路的輸入端與第二遲滯比較器U2的輸出端相連，反相器電路的輸出端控制第四場效應(yīng)管Q4的通斷；所述LDO穩(wěn)壓輸出電路還包括順次相連的第三場效應(yīng)管Q3和LDO穩(wěn)壓器U1，第三場效應(yīng)管Q3的柵極與第二遲滯比較器U2的輸出端相連，LDO穩(wěn)壓器U1的輸出端用于與節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊相連。

所述節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊的直通供電電路為導(dǎo)線，直通供電電路的其中一端與電源路徑控制模塊相連，另一端用于與無線傳感器的微控制器MCU相連，用于為無線傳感器的微控制器MCU供電；

所述可控供電電路包括一個(gè)場效應(yīng)管，場效應(yīng)管的柵極與無線傳感器的微控制器MCU相連，微控制器MCU產(chǎn)生控制信號(hào)來控制場效應(yīng)管的通斷，場效應(yīng)管的源極與電源路徑控制模塊相連。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提出一種基于多級(jí)多路徑控制的無線傳感器電源管理系統(tǒng)和方法，進(jìn)行分級(jí)保護(hù)和路徑控制，其在常規(guī)穩(wěn)壓電路中增加一個(gè)電源路徑控制電路，當(dāng)電源電壓高于設(shè)定閥值(如3.6V)，將電源切換到常規(guī)穩(wěn)壓電路一側(cè)；當(dāng)電源電壓低于設(shè)定閥值(如3.6V)，將電源切換到直通供電一側(cè)，直接給設(shè)備供電，壓降極低，僅為毫伏級(jí)。從而能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)電池電壓降低到3.3V及以下時(shí)，設(shè)備仍能正常工作，能充分利用電池的能量。同時(shí)，其能夠兼容輸出電壓在3～6V之間的各類電池供電的電源使用環(huán)境，大大提高設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)能力。同時(shí)其采用設(shè)備供電路徑控制，常在線的設(shè)備直通供電，其余設(shè)備僅在需要工作時(shí)短暫供電，最大化節(jié)能，延遲電池供電周期。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的多級(jí)多路徑的無線傳感器電源管理方法示意圖。

圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

本發(fā)明的一種基于多級(jí)多路徑控制的無線傳感器電源管理系統(tǒng)及方法，其針對(duì)采用電池供電，特別是鋰電池類電池供電的無線傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，電源系統(tǒng)具有低功耗、低壓降、大負(fù)載能力等特性。采用多級(jí)控制方法實(shí)現(xiàn)反接保護(hù)、低壓保護(hù)、穩(wěn)壓控制、節(jié)能控制、電池電量檢測等功能；采用多路徑控制方法，實(shí)現(xiàn)低壓降穩(wěn)壓功能和節(jié)能管理功能，達(dá)到能夠兼容多種電池(如鋰電池、鋰亞電池、干電池、鉛酸電池等)供電，達(dá)到充分利用電池電能之目的。

本發(fā)明在低功耗LDO穩(wěn)壓器前增加電源路徑控制模塊，當(dāng)無線傳感器的電池電壓低于要求值(3.6V)時(shí)，不再經(jīng)過穩(wěn)壓芯片，無壓降直接給無線傳感器供電，實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓在3.0-3.6V之間的目的，并能充分利用電池電能量。

如圖2所示，一種基于多級(jí)多路徑控制的無線傳感器電源管理系統(tǒng)，采用4級(jí)級(jí)聯(lián)和2級(jí)多路徑控制方法，包括順次連接的防反接模塊、低壓保護(hù)模塊、電源路徑控制模塊、節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊；

所述防反接模塊用于與輸入電源相連，檢測輸入電源的極性，當(dāng)輸入電源正接時(shí)，防反接模塊輸出電源電壓信號(hào)；

所述低壓保護(hù)模塊用于進(jìn)行最低輸入電壓控制，對(duì)防反接模塊輸出的電源電壓信號(hào)和設(shè)定的閾值電壓進(jìn)行比較，當(dāng)電源電壓信號(hào)大于或者等于閥值電壓時(shí)，低壓保護(hù)模塊輸出電源電壓信號(hào)；當(dāng)輸入電源電壓小于閾值電壓時(shí)，低壓保護(hù)模塊不導(dǎo)通，能夠防止電池電壓降得過低不穩(wěn)定工作狀態(tài)出現(xiàn)，并且還可以保護(hù)電池過度放電；

所述電源路徑控制模塊包括直通濾波輸出電路和LDO穩(wěn)壓輸出電路(共2條電流路徑)，當(dāng)?shù)蛪罕Ｗo(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)大于無線傳感器工作要求最大值時(shí)，此電源電壓信號(hào)經(jīng)過LDO穩(wěn)壓輸出電路輸出，當(dāng)?shù)蛪罕Ｗo(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)小于或者等于無線傳感器工作要求最大值時(shí)，此電源電壓信號(hào)經(jīng)過直通濾波輸出電路濾波后直接給無線傳感器供電；用于進(jìn)行電源電壓穩(wěn)定和調(diào)節(jié)控制，使輸出的電源電壓信號(hào)穩(wěn)定在規(guī)定值范圍內(nèi)，并且實(shí)現(xiàn)低壓降、大負(fù)載能力輸出；

所述節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊采用多路徑供電控制，其包括直通供電電路和多個(gè)可控供電電路，直通供電電路用于為無線傳感器的微控制器MCU供電，可控供電電路可分別用于為通信電路、測量電路和電池電量檢測電路供電，可控供電電路由微控制器MCU發(fā)出控制信號(hào)(優(yōu)選為低電平信號(hào))選通，可控供電電路僅在需要工作時(shí)由微控制器MCU發(fā)出低電平信號(hào)，開通相關(guān)可控供電電路，達(dá)到最大化節(jié)能的目的。在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，所述節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊包括一個(gè)直通供電電路和兩個(gè)可控供電電路，形成3條電流路徑。優(yōu)選地，直通供電電路還可以用于為無線傳感器的其他常在線設(shè)備供電；可控供電電路還可以用于為無線傳感器的其他不常在線設(shè)備供電。

所述防反接模塊包括第一場效應(yīng)管Q1，第一場效應(yīng)管Q1的輸入端用于與電源相連，確保電源正接。優(yōu)選地，第一場效應(yīng)管Q1為PMOS場效應(yīng)管，其柵極與輸入電源的負(fù)極相連，第一場效應(yīng)管Q1的源極與輸入電源的正極相連，進(jìn)行電源反向保護(hù)控制，當(dāng)電源極性接反時(shí)(即Vin<Gnd)，第一場效應(yīng)管Q1截止，阻斷電路導(dǎo)通，輸入電源無法給無線傳感器供電，當(dāng)輸入電源接入極性正確時(shí)(即Vin>Gnd)，第一場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，允許輸入電源輸出到下一級(jí)電路，達(dá)到保護(hù)內(nèi)部電路的目的，具體見圖1。

優(yōu)選地，所述低壓保護(hù)模塊包括第一支路、第二支路、第三遲滯器U3、第二場效應(yīng)管Q2；所述第一支路包括第一分壓電阻R1和第四分壓電阻R4，第一分壓電阻R1和第四分壓電阻R4的其中一端分別與防反接模塊相連(優(yōu)選地，第一分壓電阻R1和第四分壓電阻R4的其中一端分別與第一場效應(yīng)管Q1的柵極和漏極相連)，第一分壓電阻R1和第四分壓電阻R4的另一端相連后接入到第三遲滯器U3的反相輸入端；所述第二支路包括限流電阻R2和穩(wěn)壓二極管ZD1，限流電阻R2的其中一端和穩(wěn)壓二極管ZD1的正極分別與防反接模塊相連(優(yōu)選地，限流電阻R2的其中一端和穩(wěn)壓二極管ZD1的正極分別與第一場效應(yīng)管Q1的柵極和漏極相連)，限流電阻R2的另一端和穩(wěn)壓二極管ZD1的負(fù)極相連后接入到第三遲滯器U3的正相輸入端；第三遲滯器U3的輸出端與第二場效應(yīng)管Q2的柵極相連，當(dāng)?shù)蛪罕Ｗo(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)低于設(shè)定閥值時(shí)，第三遲滯器U3輸出高電平信號(hào)，使VGS_Q2＝0V，第二場效應(yīng)管Q2截止；當(dāng)?shù)蛪罕Ｗo(hù)模塊輸出的電源電壓高于設(shè)定閥值時(shí)，遲滯器U2輸出低電平信號(hào)，VGS_Q2＝-Vin，第二場效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，并輸出電源電壓信號(hào)到電源路徑控制模塊，用于給設(shè)備供電。

優(yōu)選地，所述電源路徑控制模塊包括直通濾波輸出電路(路徑32)和LDO穩(wěn)壓輸出電路(路徑31)，直通濾波輸出電路和LDO穩(wěn)壓輸出電路共用第三分壓電阻R3、第五分壓電阻R5、第二遲滯比較器U2，第三分壓電阻R3和第五分壓電阻R5將低壓保護(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)輸入到第二遲滯比較器U2的反相輸入端(即第三分壓電阻R3和第五分壓電阻R5串聯(lián)形成串聯(lián)電路后，串聯(lián)電路的兩端分別與第二場效應(yīng)管Q2的漏極和穩(wěn)壓二極管ZD1的正極相連)，第二遲滯比較器U2的正相輸入端與第三遲滯比較器U3的正相輸入端相連；直通濾波輸出電路還包括順次連接的反相器電路、第四場效應(yīng)管Q4和LC濾波電路，反相器電路由第五場效應(yīng)管Q5(優(yōu)選為PMOS管)和第六場效應(yīng)管Q6(優(yōu)選為NMOS管)構(gòu)成，其中，Q5和Q6的柵極均與U2的輸出端相連，Q5和Q6的漏極相連，Q5的源極與Q2的漏極相連，Q6的源極與ZD1的正極相連，反相器電路的輸入端與第二遲滯比較器U2的輸出端相連，反相器電路的輸出端控制第四場效應(yīng)管Q4的通斷，當(dāng)反向器電路輸出高電平時(shí)，第四場效應(yīng)管Q4截止，當(dāng)反向器電路輸出低電平時(shí)，第四場效應(yīng)管Q4導(dǎo)通，此路徑壓降極低，負(fù)載能力強(qiáng)，使電源輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值之內(nèi)，同時(shí)具備較大電流輸出能力，滿足無線傳感器正常工作電流需求；所述LDO穩(wěn)壓輸出電路還包括順次相連的第三場效應(yīng)管Q3和LDO穩(wěn)壓器U1，第三場效應(yīng)管Q3的柵極與第二遲滯比較器U2的輸出端相連，LDO穩(wěn)壓器U1的輸出端用于與節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊相連。當(dāng)?shù)蛪罕Ｗo(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)大于無線傳感器工作要求最大值(VCCmax)時(shí)，第二遲滯比較器U2輸出低電平信號(hào)，使得VGS_Q3＝-Vin，第三場效應(yīng)管Q3導(dǎo)通，電源電壓信號(hào)經(jīng)過LDO穩(wěn)壓U1輸出電路輸出后給無線傳感器供電，同時(shí)，使得反相器電路第五場效應(yīng)管Q5的VGS_Q5＝-Vin，第五場效應(yīng)管Q5導(dǎo)通，第六場效應(yīng)管Q6的VGS_Q6＝0，第六場效應(yīng)管Q6截止，反相器輸出高電平信號(hào)，使得直通濾波輸出電路第四場效應(yīng)管Q4的VGS_Q4＝0，Q4關(guān)閉；當(dāng)?shù)蛪罕Ｗo(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)小于或者等于無線傳感器工作要求最大值(VCCmax)時(shí)，第二遲滯比較器U2輸出高電平信號(hào)，使得VGS_Q3＝0，第三場效應(yīng)管Q3截止，同時(shí)，使得反相器電路第五場效應(yīng)管Q5的VGS_Q5＝0，Q5截止，第六場效應(yīng)管Q6的VGS_Q6＝Vin，第六場效應(yīng)管Q6導(dǎo)通，反相器輸出低電平信號(hào)，使得直通濾波輸出電路第四場效應(yīng)管Q4的VGS_Q4＝-Vin，第四場效應(yīng)管Q4導(dǎo)通，電源電壓信號(hào)經(jīng)過濾波電路后直接給無線傳感器供電。

優(yōu)選地，所述節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊的直通供電電路為導(dǎo)線，直通供電電路的其中一端與電源路徑控制模塊相連，另一端用于與無線傳感器的微控制器MCU相連，用于為無線傳感器的微控制器MCU供電；

優(yōu)選地，所述可控供電電路包括一個(gè)場效應(yīng)管，場效應(yīng)管的柵極與無線傳感器的微控制器MCU相連，微控制器MCU產(chǎn)生控制信號(hào)來控制場效應(yīng)管的通斷。

一種基于多級(jí)多路徑控制的無線傳感器電源管理系統(tǒng)的管理方法，包括以下步驟：

步驟一：將電源電壓信號(hào)輸入到防反接模塊，當(dāng)防反接模塊檢測到電源為正接時(shí)導(dǎo)通，并輸出電源電壓信號(hào)；

步驟二：低壓保護(hù)模塊對(duì)防反接模塊輸出的電源電壓信號(hào)和設(shè)定的閾值電壓進(jìn)行比較，當(dāng)防反接模塊輸出的電源電壓信號(hào)大于或者等于閥值電壓時(shí)，低壓保護(hù)模塊輸出電源電壓信號(hào)；

步驟三：判斷低壓保護(hù)模塊輸出電源電壓信號(hào)與無線傳感器工作要求值的關(guān)系，當(dāng)檢測到低壓保護(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)大于無線傳感器工作要求值時(shí)，此電源電壓信號(hào)經(jīng)過電源路徑控制模塊中的LDO穩(wěn)壓輸出電路輸出，當(dāng)檢測到低壓保護(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)小于或者等于無線傳感器工作要求值時(shí)，此電源電壓信號(hào)經(jīng)過電源路徑控制模塊中直通濾波輸出電路濾波后直接給無線傳感器供電；

步驟四：節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊接收電源路徑控制模塊輸出的電壓信號(hào)，節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊中的直通供電電路用于為無線傳感器的微控制器MCU供電，節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊中的可控供電電路可分別用于為通信電路、測量電路和電池電量檢測電路供電，可控供電電路由微控制器MCU發(fā)出控制信號(hào)(低電平信號(hào))選通。

優(yōu)選地，所述步驟二中的設(shè)定的閾值電壓為傳感器電源最小值，在本發(fā)明的一種實(shí)施例中，傳感器電源最小值為3V。

優(yōu)選地，所述防反接模塊包括第一場效應(yīng)管Q1，第一場效應(yīng)管Q1的輸入端用于與電源相連，確保電源正接。

優(yōu)選地，所述電源路徑控制模塊包括直通濾波輸出電路和LDO穩(wěn)壓輸出電路，直通濾波輸出電路和LDO穩(wěn)壓輸出電路共用第三分壓電阻R3、第五分壓電阻R5、第二遲滯比較器U2，第三分壓電阻R3和第五分壓電阻R5將低壓保護(hù)模塊輸出的電源電壓信號(hào)輸入到第二遲滯比較器U2的反相輸入端，第二遲滯比較器U2的正相輸入端與第三遲滯比較器U3的正相輸入端相連；直通濾波輸出電路還包括順次連接的反相器電路、第四場效應(yīng)管Q4和LC濾波電路，反相器電路由第五場效應(yīng)管Q5和第六場效應(yīng)管Q6構(gòu)成，反相器電路的輸入端與第二遲滯比較器U2的輸出端相連，反相器電路的輸出端控制第四場效應(yīng)管Q4的通斷，當(dāng)反向器電路輸出高電平時(shí)，第四場效應(yīng)管Q4截止，當(dāng)反向器電路輸出低電平時(shí)，第四場效應(yīng)管Q4導(dǎo)通；所述LDO穩(wěn)壓輸出電路還包括順次相連的第三場效應(yīng)管Q3和LDO穩(wěn)壓器U1，第三場效應(yīng)管Q3的柵極與第二遲滯比較器U2的輸出端相連，LDO穩(wěn)壓器U1的輸出端用于與節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊相連。

優(yōu)選地，所述節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊的直通供電電路為導(dǎo)線，直通供電電路的其中一端與電源路徑控制模塊相連，另一端用于與無線傳感器的微控制器MCU相連，用于為無線傳感器的微控制器MCU供電；

優(yōu)選地，所述可控供電電路包括一個(gè)場效應(yīng)管，場效應(yīng)管的柵極與無線傳感器的微控制器MCU相連，微控制器MCU產(chǎn)生控制信號(hào)來控制場效應(yīng)管的通斷。

實(shí)施例1

本實(shí)施例的具體實(shí)施電路如圖1和2所示。圖1中，第I級(jí)、第II級(jí)、第III級(jí)和第IV級(jí)分別代表防反接模塊、低壓保護(hù)模塊、電源路徑控制模塊、節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊。

在本實(shí)例中能實(shí)現(xiàn)兼容輸3.6V可充電鋰電池、4節(jié)干電池串接或3.6V理亞電池等電池供電情況，電源電壓要求在3～3.6V之間，最大負(fù)載電流為300mA的無線傳感器電源管理。

在圖1中，防反接模塊由Q1構(gòu)成，其輸出與低壓保護(hù)模塊的輸入相連。其利用功率型PMOS場效應(yīng)管的VGS_Q1<0V導(dǎo)通的特性；當(dāng)輸入電源接線正常時(shí)，VGS_Q1＝-Vin，Q1導(dǎo)通，電源電壓信號(hào)經(jīng)Q1后直接給低壓保護(hù)模塊供電；當(dāng)輸入電源接反時(shí)，VGS_Q1＝Vin，因而Q1無法導(dǎo)通，處于關(guān)閉狀態(tài)，起到保護(hù)內(nèi)部電路作用。

低壓保護(hù)模塊由第三遲滯器U3、第二場效應(yīng)管Q2、第一分壓電阻R1、第四分壓電阻R4、限流電阻R2、穩(wěn)壓二極管ZD1構(gòu)成，穩(wěn)壓二極管ZD1提供基準(zhǔn)電壓，當(dāng)電源電壓信號(hào)低于設(shè)定閥值3V時(shí)，遲滯比較器U3輸出高電平信號(hào)(電平與輸入電壓一致)，使VGS_Q2＝0V，功率型PMOS場效應(yīng)管Q2截止，避免電源電壓過低，無線傳感器工作不穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)，同時(shí)可保護(hù)電池不過度放電；當(dāng)電源電壓信號(hào)高于設(shè)定閥值3V時(shí)，遲滯比較器U3輸出低電平信號(hào)，VGS_Q2＝-Vin，功率型PMOS場效應(yīng)管Q2導(dǎo)通，輸出電源電壓信號(hào)給電源路徑控制模塊，可以給設(shè)備供電。為避免在臨界電壓點(diǎn)出現(xiàn)不穩(wěn)定關(guān)斷或開通，遲滯比較器U3的遲滯電壓設(shè)置為50mV。

第III級(jí)的電源路徑控制模塊由第三分壓電阻R3、第五分壓電阻R5、第二遲滯比較器U2、第四場效應(yīng)管Q4、第三場效應(yīng)管Q3、電感L1、電容C1～C6及二極管D1構(gòu)成2條電流路徑控制及穩(wěn)壓電路。當(dāng)電源電壓高于3.6V時(shí)，遲滯比較器U2輸出低電平信號(hào)，VGS_Q3＝-Vin，控制第三場效應(yīng)管Q3導(dǎo)通，電源經(jīng)LDO穩(wěn)壓路徑(路徑31)給LDO穩(wěn)壓后給無線傳感器供電，與此同時(shí)，第二遲滯比較器U2輸出低電平信號(hào)經(jīng)Q5、Q6組成的反向器輸出高電平，第四場效應(yīng)管Q4關(guān)斷，切斷電源直通路徑(路徑32)；當(dāng)電源電壓低于3.6V，遲滯比較器U2輸出高電平信號(hào)，控制第三場效應(yīng)管Q3關(guān)閉，斷開LDO穩(wěn)壓路徑(路徑31)，第二遲滯比較器U2輸出高電平信號(hào)經(jīng)Q5、Q6組成的反向輸出低電平信號(hào)，第四場效應(yīng)管Q4導(dǎo)通，電源經(jīng)直通路徑(路徑32)流經(jīng)L1、C5與C6組成的π型結(jié)構(gòu)濾波電路，濾波后，直接給無線傳感器供電，此路徑電源壓降很低，小于10mV，并且輸出電流較大(僅受功率型PMOS場效應(yīng)管最大電流限制，一般都在幾安培以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)電流需求)。在電源路徑控制模塊中，將遲滯比較器U2的遲滯電壓設(shè)置為50mV，避免電源電壓降到零界點(diǎn)，電流路徑頻繁切換。結(jié)合第II級(jí)的低壓保護(hù)模塊控制，實(shí)現(xiàn)將輸出電壓穩(wěn)定在3～3.6V范圍內(nèi)，確保無線傳感器正常工作。

第IV級(jí)的節(jié)能控制和電池電壓檢測模塊由第七場效應(yīng)管Q7、第八場效應(yīng)管Q8將電源分割為3條供電路徑，分別給常在線MCU設(shè)備M2、間斷工作通信設(shè)備M4、定時(shí)測量設(shè)備M3和電池電量檢測設(shè)備M1供電。常在線設(shè)備M2通過直通供電路徑(路徑41)供電，間斷工作設(shè)備M4通過可控供電路徑(路徑43)供電，定時(shí)測量設(shè)備M1、M3通過可控供電路徑(路徑42)供電。路徑42、路徑43的路徑控制信號(hào)由無線傳感器的MCU產(chǎn)生，其僅在需要工作時(shí)MCU發(fā)出低電平信號(hào)，開通相關(guān)供電路徑，達(dá)到最大化節(jié)能的目的。

本發(fā)明的實(shí)施電路實(shí)例圖1中M1～M4為無線傳感器用電設(shè)備，其余器件構(gòu)成完整的電源管理電路，所有關(guān)鍵器件均選用低功耗器件，如遲滯比較器U2、遲滯比較器U3可選用TLV3691，其功耗低于150nA，低功耗LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)U1可選用MAX604ESA，其靜態(tài)功耗小于15uA，在供電電源為6.5V的情況下，R1與R4，R3與R5組成的分壓電路電流均小于1uA，R2與ZD1組成的基準(zhǔn)電源電路功耗小于4uA，因而本發(fā)明電源管理方法實(shí)施實(shí)例電路總功耗低于25uA，特別是在電源切換到電源直通供電一側(cè)時(shí)功耗低于10uA。電源管理中的關(guān)鍵功率型PMOS場效應(yīng)管可選擇開通電阻小于20mΩ的器件，當(dāng)電源切換到電源直通供電一側(cè)時(shí)，在最大功耗為300mA時(shí)，輸出給用電設(shè)備的電源壓降低于30mV。

總體上，實(shí)施實(shí)例中所有電源管理電路中器件均采用低功耗、低壓降器件，可實(shí)現(xiàn)總功耗IQ<25uA，直通供電時(shí)負(fù)載調(diào)整壓降低于VLDR<30mV，電源管理電路功耗低，壓降小，確保在電池電壓降低時(shí)無線傳感器仍能正常工作，電池能量能夠充分利用。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。