环境能量采集套件-DFM8001

简介

物联网技术已经深刻融入我们的生活和工作，如智能家居中的各种智能家电、工厂中的安全监测设备。在使用和管理这些设备时，我们期望它们能够免去频繁维护的烦扰。如智能门铃要定期更换电池，影响使用体验，一些安装在高空或机箱中的设备，更换电池维护成本极高。为解决这些问题，物联网系统中的传感器、控制器和无线通信单元等核心组件，都在不断朝着低功耗方向发展，以解决因更换电池而带来的用户体验下降、维护成本增加和环境污染等问题。目前，降低功耗方向的努力已取得显著成果，但并没有解决根本问题，长时间使用后电池仍会耗尽。如何能让电池的电量永远不会耗尽呢？

自然环境中存在丰富的机械能、热能、光能、射频能等环境能源。有效地利用这些能源为设备供电，将为设备注入源源不断的能量。然而，这些能源受地理位置、天气等因素影响，表现出微弱且不稳定的特点，难以有效利用。DFRobot的环境能量采集模组解决了这一难题，能够有效地收集并存储微弱至微瓦级的能量。该模组具备动态的MPPT跟踪功能，定时检测输入源状态并调整至最大功率点，以确保微弱能量的高效收集。不仅如此，模组还集成了充放电管理、储能管理以及双路稳压输出等功能。

DFRobot环境能量采集套件-DFM8001是一套完整的能量采集解决方案，旨在简化环境能源供电系统的构建。套件包含DFM8001能量采集评估板、非晶硅光伏板以及超级电容储能模块，用户只需轻松连接即可完成组装。除了套件内附的基础非晶硅光伏板外，用户还可以根据需要，选择搭配更高光电转换效率的光能板，如有机物或染料敏化光能板。

为了进一步方便用户，DFRobot提供了尺寸为15x15x3mm的DFM8001模组，可轻松集成到各种产品中，为其提供环境能源供电支持。

注：为防止误操作，在调节VCF[2]-VCF[0]时请断开储能器件，在接入储能器件时要严格遵守: 储能器件当前电压<Voc，否则会损坏系统

注：为防止误操作，配置为自定义模式之前必须先焊接好R1-R8电阻，然后再调节跳线帽配置，最后接入储能器件 

技术规格

  • 冷启动条件：输入≥400mV 15uW

  • 冷启动后维持电压：150mV

  • 输入电压范围：150mV-5V

  • MPPT比率：70%、75%、85%、90%（可调）

  • MPPT自动检测频率：5S/次

  • 双路LDO稳压输出

    • 低压：1.2-1.8V 20mA（带开关）

    • 高压：1.8-4.1V 80mA（带开关）

  • 储能管理

    • 可调节的过充保护：2.7V-4.5V

    • 可调节的过放保护：2.2V-3.6V

    • 适用于任何类型可充电电池或电容器

    • 电池电量不足预警

    • LDO输出可用提示

    • 支持一次性备用电池

  • 非晶硅光伏板最大功率点：70%

  • 非晶硅光伏板最大功率：90uW@200Lux

  • 评估板尺寸：57*42 mm

  • 非晶硅光伏板尺寸：45*45mm

  • 模组尺寸：15x15x3.5 mm

引脚说明

快速使用

硬件准备

  • 能量采集模块评估板 x 1
  • 0.22F超级电容 x 1
  • 非晶硅光伏板 x 1
  • 万用表/1.8V小功率负载

操作流程：

  1. 所有跳线帽处于默认状态，未了解全部配置前，请勿随意调节跳线帽配置，否则会有损坏风险 

    1. SCL_BAT：CAP
    2. L_EN和H_EN：1
    3. VCF[2]：1
    4. 其余跳线帽均配置为0

  2. 将0.22F超级电容插到板子上，未了解全部配置前，请使用套件中附赠的全新0.22F超级电容，禁止使用已充电的超级电容

  3. 连接非晶硅光伏板，并让光能板正面接受光照。 连接时注意评估板的端子要与光伏板引线的金属部分充分接触，压入过多的电线绝缘护套可能导致连接失败

  4. 此时Vbuck电压会缓慢上升至2.2V左右，说明系统已经启动，开始为电容充电。若一直无法上升到2.2V，说明光照太弱或能量源连接不正常，系统无法启动

  5. 当0.22F电容电压上升至2.3V时，LDO开启电源输出

  • 说明：使用0.22F超级电容可以较快速的观察到输出现象，若0.22F存储的能量太少，可自行更换为配送的1.5F电容，或查阅wiki中的后续章节查看更多配置。

接线图

配置说明

Vmpp：Maximum Power Point Voltage根据不同光能板的特性，选择合适的最大功率点，套件中附赠的非晶硅板为70%

Vsrc: Energy Source Voltage能量源电压，如光能板、光动能电池等。当Vsrc>400mV 15uW时开始采集能量。

Vbat: Battery Voltage储能器件电压，超级电容、可充电电池等。

PRIM: Primary 备用电池。

Voc: Overcharge Voltage 过充电压。通常为储能元件上可接受的最大电压，或想让储能器件充至的最高电压。

Vcr: Charge Ready Voltage 充电就绪电压。在开始储能后，启用 LDO 之前，储能元件上所需的最低电压。

Vod: Overdischarge Voltage 过放电压。在切换到备用电池或进入关闭模式之前，储能器件可接受的最小电压。

模块工作流程如下流程图：

  • 当Vsrc>400mV 15uW时模块被唤醒开始采集能量为储能器件充电
  • 当Vbat>Vcr时，模块进入正常模式，LDO可以开始输出
  • 当Vbat>Voc时，模块进入过充保护模式，LDO仍可输出但模块不再为电容充电
  • 当Vbat≤Vod且连接了PRIM时，则PRIM将为储能器件充电至Vcr然后模块进入正常模式，在此期间LDO正常输出
  • 当Vbat≤Vod且未连接PRIM时，模块进入关闭模式，LDO在600ms后停止输出，直到Vbat>Vcr。

注：为防止误操作，在调节VCF[2]-VCF[0]时请断开储能器件，在接入储能器件时要严格遵守: 储能器件当前电压<Voc，否则会损坏系统

注：为防止误操作，配置为自定义模式之前必须先焊接好R1-R8电阻，然后再调节跳线帽配置，最后接入储能器件 

有关工作模式的更多细节请查看DFM8001模组数据手册。

进阶使用

在进阶教程中，将演示：

  • 使用锂电池作为储能器件
  • 使用效率更高的光能板作为输入源
  • 使用MCU控制LDO是否开启输出

硬件准备

  • 能量采集模块评估板 x 1
  • 薄膜有机物光伏板 x 1
  • 锂电池/其他可充电电池
  • 用电设备

操作流程

  1. 为防止误操作，取下板子上的超级电容

  2. 调节跳线帽位置

    1. SCL_BAT：BAT
    2. VCF[2]-VCF[0]： 1 1 1 ，即Voc=4.12V, Vcr=3.67V, Vod=3.6V, Vh=3.3V, VL=1.8V
    3. MPPT[1]-MPPT[0]：1 0，85%，根据连接的输入源参数确定

  3. 将H_EN的跳线帽拔除，H_EN的中点连接至MCU的数字输出IO，可通过MCU控制H_OUT是否启动输出

  4. 确保锂电池电压<4.12V后接入BAT接线柱

  5. 连接薄膜有机物光伏板

接线图

更多高级应用请查看DFM8001数据手册。

常见问题（FAQ）

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DFM8001-数据手册

原理图

尺寸&元器件排布图

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