1.簡(jiǎn)介

采用先進(jìn)的功率處理電路的技術(shù)已用于許多應(yīng)用的持續(xù)增長(zhǎng)，例如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，的IoT裝置，和家用電器。為了實(shí)現(xiàn)真正的物聯(lián)網(wǎng)（WoT）環(huán)境，需要用于各種連接設(shè)備的可靠電源電路。如圖1所示，此類(lèi)設(shè)備內(nèi)部的電源電路執(zhí)行能量收集和功率處理，以使這些設(shè)備可操作并連接至WoT。此類(lèi)WoT設(shè)備的處理器和發(fā)射器可以利用電源電路收集和處理的能量成功運(yùn)行。由于電源電路和不同類(lèi)型的電源都在WOT裝置，它們的設(shè)計(jì)工程師不應(yīng)忽視的功率電路（例如，能量采集接口）對(duì)系統(tǒng)性能的因素的影響，如可靠性，成本和效率。本文考慮的用于WoT應(yīng)用的電源示例包括電池和太陽(yáng)能電池。為了使不同電源有效且高效地運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮WoT設(shè)備中使用的電源電路的可靠電路控制策略和電源管理算法。

圖1. 電源電路在WoT中的作用。

圖2顯示了與WoT連接的設(shè)備的典型電源電路配置的框圖。雖然功率電路中的實(shí)際功率轉(zhuǎn)換是由功率級(jí)執(zhí)行的，但通常使用控制器來(lái)控制感興趣的主要變量，例如電壓和電流。由于傳感器通常用于控制系統(tǒng)中的反饋，因此當(dāng)反饋信息不可用時(shí)，控制器的令人滿(mǎn)意的操作將是不可能的，這可能是由于傳感器故障引起的。如圖2所示在傳感器輸出和控制輸入之間存在接口電路。因此，期望不僅由傳感器而且由其接口電路確定實(shí)際反饋信號(hào)的特性。換句話(huà)說(shuō)，傳感器的故障率會(huì)影響功率轉(zhuǎn)換電路的可靠性。以同樣的方式，傳感器及其接口電路的動(dòng)態(tài)會(huì)影響控制性能。由于電源電路控制方法通常需要安裝傳感器，因此本文報(bào)告了傳感器及其接口電路對(duì)電源電路性能的影響。特別是，本研究著重于傳感器故障率和動(dòng)態(tài)特性如何影響可靠性和控制性能。

2. WoT連接設(shè)備的典型功率轉(zhuǎn)換方法的框圖。

這項(xiàng)研究的分析過(guò)程，觀察和驗(yàn)證結(jié)果解決了涉及各種WoT設(shè)備連接的硬件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。具體來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究的貢獻(xiàn)可以總結(jié)如下：

首先，本研究通過(guò)考慮傳感器及其接口電路的影響，對(duì)WoT設(shè)備的可靠性和控制性能進(jìn)行了全面的分析。雖然傳感器的可靠性已經(jīng)明確考慮在一些案例研究[ 12，14]，傳感器可靠性數(shù)據(jù)的使用僅限于調(diào)查詳細(xì)的故障模式和故障嚴(yán)重性。與以前的研究相比，該研究不僅關(guān)注傳感器的可靠性，而且研究了傳感器的直接反饋以外的其他傳感機(jī)制如何提高系統(tǒng)的可靠性。例如，使用可以增加針對(duì)電流傳感器故障的容錯(cuò)能力的電流信息重建或估計(jì)方案的使用被視為增加系統(tǒng)可靠性的方法。而在重建或電壓/電流反饋估計(jì)的研究工作已經(jīng)進(jìn)行了，本文提供了可以實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)可靠性改善水平的定量分析結(jié)果。

其次，本文考慮了過(guò)去尚未深入探討的傳感器接口中電源電路的實(shí)際硬件設(shè)計(jì)方面。尤其是，這項(xiàng)研究是基于以下觀察結(jié)果：

（1）電源電路中使用的測(cè)量傳感器也會(huì)失效或磨損[ 12 ]；

（2）接口電路通常與傳感器一起使用，以解決與電磁干擾（EMI），模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）和開(kāi)關(guān)模式功率調(diào)節(jié)有關(guān)的問(wèn)題。通過(guò)理論分析和面向電路的驗(yàn)證，本文證明了這種實(shí)際的約束條件會(huì)影響WoT設(shè)備中通常用于能量收集的電源電路的可靠性和調(diào)節(jié)性能。

第三，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以輕松地采用本文的分析方法來(lái)研究不同電路配置和反饋方案的影響，這些電路和反饋方案用于不同類(lèi)型的嵌入式設(shè)備的電源電路。當(dāng)使用多種方法獲取相同變量的反饋時(shí)，本文考慮的可靠性分析框架可以輕松地應(yīng)用于此類(lèi)方法的可靠性計(jì)算模型。由于考慮的可靠性分析方法可提供定量結(jié)果，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在系統(tǒng)規(guī)劃階段對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行更全面，更實(shí)際的權(quán)衡研究。這些結(jié)果也可以用作執(zhí)行設(shè)計(jì)優(yōu)化以滿(mǎn)足各種目標(biāo)（例如成本，可靠性和復(fù)雜性）的度量。例如，可以?xún)?yōu)化傳感器的能量采集接口，以便可以在各種設(shè)計(jì)候選中選擇具有最高可靠性級(jí)別的設(shè)計(jì)方法。盡管為傳感器設(shè)計(jì)可持續(xù)能源收集方法的研究工作受到了持續(xù)的關(guān)注，大多數(shù)以前的研究作品只集中在電路和功率控制方法的發(fā)展; 考慮到電源電路對(duì)可靠性特性的影響，執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)分析的研究似乎很有限。

該手稿的其余部分安排如下：下一節(jié)回顧了相關(guān)的先前研究工作。第三部分討論了傳感器對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，并介紹了可靠性分析方法。還提供了可靠性分析結(jié)果。第4節(jié)顯示了傳感器接口電路的動(dòng)態(tài)如何影響系統(tǒng)控制性能。第5節(jié)提供了仿真和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果。最后，第6節(jié)通過(guò)總結(jié)研究結(jié)果并介紹未來(lái)工作的方向來(lái)總結(jié)本文。