1.簡介

采用先進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，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，的IoT裝置，和家用電器。為了實現(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行。由于電源電路和不同類型的電源都在WOT裝置，它們的設(shè)計工程師不應(yīng)忽視的功率電路（例如，能量采集接口）對系統(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能電池。為了使不同電源有效且高效地運行，系統(tǒng)設(shè)計人員應(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際功率轉(zhuǎn)換是由功率級執(zhí)行的，但通常使用控制器來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，控制器的令人滿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際反饋信號的特性。換句話說，傳感器的故障率會影響功率轉(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態(tài)會影響控制性能。由于電源電路控制方法通常需要安裝傳感器，因此本文報告了傳感器及其接口電路對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。

這項研究的分析過程，觀察和驗證結(jié)果解決了涉及各種WoT設(shè)備連接的硬件和系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)。具體來說，這項研究的貢獻可以總結(jié)如下：

首先，本研究通過考慮傳感器及其接口電路的影響，對WoT設(shè)備的可靠性和控制性能進行了全面的分析。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制如何提高系統(tǒng)的可靠性。例如，使用可以增加針對電流傳感器故障的容錯能力的電流信息重建或估計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/電流反饋估計的研究工作已經(jīng)進行了，本文提供了可以實現(xiàn)的系統(tǒng)可靠性改善水平的定量分析結(jié)果。

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

（1）電源電路中使用的測量傳感器也會失效或磨損[ 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）和開關(guān)模式功率調(diào)節(jié)有關(guān)的問題。通過理論分析和面向電路的驗證，本文證明了這種實際的約束條件會影響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)計人員可以輕松地采用本文的分析方法來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，本文考慮的可靠性分析框架可以輕松地應(yīng)用于此類方法的可靠性計算模型。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)計人員可以在系統(tǒng)規(guī)劃階段對各種設(shè)計方案進行更全面，更實際的權(quán)衡研究。這些結(jié)果也可以用作執(zhí)行設(shè)計優(yōu)化以滿足各種目標(biāo)（例如成本，可靠性和復(fù)雜性）的度量。例如，可以優(yōu)化傳感器的能量采集接口，以便可以在各種設(shè)計候選中選擇具有最高可靠性級別的設(shè)計方法。盡管為傳感器設(shè)計可持續(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; 考慮到電源電路對可靠性特性的影響，執(zhí)行系統(tǒng)級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態(tài)如何影響系統(tǒng)控制性能。第5節(jié)提供了仿真和實驗的驗證結(jié)果。最后，第6節(jié)通過總結(jié)研究結(jié)果并介紹未來工作的方向來總結(jié)本文。