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传感器对物联网(wot)中电源电路的可靠性和控制性能的影响
来源:赛斯维传感器网 发表于 2020/9/22

1.简介

采用先进的功率处理电路的技术已用于许多应用的持续增长,例如无线传感器网络,的iot装置,和家用电器。为了实现真正的物联网(wot)环境,需要用于各种连接设备的可靠电源电路。如图1所示,此类设备内部的电源电路执行能量收集和功率处理,以使这些设备可操作并连接至wot。此类wot设备的处理器和发射器可以利用电源电路收集和处理的能量成功运行。由于电源电路和不同类型的电源都在wot装置,它们的设计工程师不应忽视的功率电路(例如,能量采集接口)对系统性能的因素的影响,如可靠性,成本和效率。本文考虑的用于wot应用的电源示例包括电池和太阳能电池。为了使不同电源有效且高效地运行,系统设计人员应考虑wot设备中使用的电源电路的可靠电路控制策略和电源管理算法。

图1. 电源电路在wot中的作用。


图2显示了与wot连接的设备的典型电源电路配置的框图。虽然功率电路中的实际功率转换是由功率级执行的,但通常使用控制器来控制感兴趣的主要变量,例如电压和电流。由于传感器通常用于控制系统中的反馈,因此当反馈信息不可用时,控制器的令人满意的操作将是不可能的,这可能是由于传感器故障引起的。如图2所示在传感器输出和控制输入之间存在接口电路。因此,期望不仅由传感器而且由其接口电路确定实际反馈信号的特性。换句话说,传感器的故障率会影响功率转换电路的可靠性。以同样的方式,传感器及其接口电路的动态会影响控制性能。由于电源电路控制方法通常需要安装传感器,因此本文报告了传感器及其接口电路对电源电路性能的影响。特别是,本研究着重于传感器故障率和动态特性如何影响可靠性和控制性能。

2. wot连接设备的典型功率转换方法的框图。


这项研究的分析过程,观察和验证结果解决了涉及各种wot设备连接的硬件和系统设计挑战。具体来说,这项研究的贡献可以总结如下:


首先,本研究通过考虑传感器及其接口电路的影响,对wot设备的可靠性和控制性能进行了全面的分析。虽然传感器的可靠性已经明确考虑在一些案例研究[ 12,14],传感器可靠性数据的使用仅限于调查详细的故障模式和故障严重性。与以前的研究相比,该研究不仅关注传感器的可靠性,而且研究了传感器的直接反馈以外的其他传感机制如何提高系统的可靠性。例如,使用可以增加针对电流传感器故障的容错能力的电流信息重建或估计方案的使用被视为增加系统可靠性的方法。而在重建或电压/电流反馈估计的研究工作已经进行了,本文提供了可以实现的系统可靠性改善水平的定量分析结果。


其次,本文考虑了过去尚未深入探讨的传感器接口中电源电路的实际硬件设计方面。尤其是,这项研究是基于以下观察结果:

(1)电源电路中使用的测量传感器也会失效或磨损[ 12 ];

(2)接口电路通常与传感器一起使用,以解决与电磁干扰(emi),模数转换(adc)和开关模式功率调节有关的问题。通过理论分析和面向电路的验证,本文证明了这种实际的约束条件会影响wot设备中通常用于能量收集的电源电路的可靠性和调节性能。


第三,系统设计人员可以轻松地采用本文的分析方法来研究不同电路配置和反馈方案的影响,这些电路和反馈方案用于不同类型的嵌入式设备的电源电路。当使用多种方法获取相同变量的反馈时,本文考虑的可靠性分析框架可以轻松地应用于此类方法的可靠性计算模型。由于考虑的可靠性分析方法可提供定量结果,因此系统设计人员可以在系统规划阶段对各种设计方案进行更全面,更实际的权衡研究。这些结果也可以用作执行设计优化以满足各种目标(例如成本,可靠性和复杂性)的度量。例如,可以优化传感器的能量采集接口,以便可以在各种设计候选中选择具有最高可靠性级别的设计方法。尽管为传感器设计可持续能源收集方法的研究工作受到了持续的关注,大多数以前的研究作品只集中在电路和功率控制方法的发展; 考虑到电源电路对可靠性特性的影响,执行系统级分析的研究似乎很有限。


该手稿的其余部分安排如下:下一节回顾了相关的先前研究工作。第三部分讨论了传感器对系统可靠性的影响,并介绍了可靠性分析方法。还提供了可靠性分析结果。第4节显示了传感器接口电路的动态如何影响系统控制性能。第5节提供了仿真和实验的验证结果。最后,第6节通过总结研究结果并介绍未来工作的方向来总结本文。


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