精確的無線溫度傳感器可為自身供電

引言

“物聯(lián)網(wǎng)”說的是一種日益明顯的趨勢(shì)，不僅連接人與電腦，而且將各種“東西”連接到互聯(lián)網(wǎng)。在工廠或大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目等應(yīng)用中，在更多地點(diǎn)連接更多傳感器 (傳動(dòng)器) 可以提高效率、改善安全性以及實(shí)現(xiàn)全新的商業(yè)模式。

現(xiàn)在不必面對(duì)在工廠內(nèi)部布設(shè)電纜帶來的挑戰(zhàn)和高成本問題了，因?yàn)榭梢园惭b可靠的、工業(yè)級(jí)強(qiáng)度的無線傳感器，這些傳感器可以靠小型電池工作很多年，或者依靠從光、振動(dòng)或溫度變化等可用來源收集的能量工作。

凌力爾特提供設(shè)計(jì)高性能、可靠、低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需的所有元件。本文所述案例是一個(gè)真實(shí)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)整合了一個(gè)高分辨率溫度傳感器、一個(gè)電源管理電路和一個(gè)低功耗無線電模塊，其中電源管理電路用太陽(yáng)能 (可用時(shí)) 和備份電池 (需要時(shí)) 供電，而無線電模塊則自動(dòng)地構(gòu)成一個(gè)可靠的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，以無線方式將所有傳感器連接到一個(gè)中央接入點(diǎn)。

設(shè)計(jì)概述

圖 1 顯示了該設(shè)計(jì)的方框圖。溫度傳感器基于一個(gè)熱敏電阻器，該熱敏電阻器由低噪聲 LT6654 電壓基準(zhǔn)偏置。24 位ΔΣ ADC LTC2484 讀取熱敏電阻器的電壓，并通過 SPI 接口報(bào)告讀取的結(jié)果。LTP5901 是無線電模塊，不僅含有無線電單元，還含有自動(dòng)構(gòu)成 IP 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)所需的連網(wǎng)固件。此外，LTP5901 還有一個(gè)內(nèi)置的微處理器，該微處理器讀取 LTC2484 ADC SPI 端口，并管理面向信號(hào)鏈路組件的電源排序。LTC3330 是一款低功率、開關(guān)模式雙輸出電源，當(dāng)可得到足夠的光照時(shí)，LTC3330 靠太陽(yáng)能電池板供電，當(dāng)光照不足但需要保持輸出電壓穩(wěn)定時(shí)，LTC3330 用電池供電。LTC3330 還含有一個(gè) LDO，用來設(shè)定溫度傳感器供電電源的占空比。

圖 1：通過將無線電模塊連至 ADC、基準(zhǔn)和熱敏電阻器以構(gòu)成無線溫度傳感器。該電路由一個(gè)可從電池或太陽(yáng)能電池板獲取電能的能量收集器供電。

信號(hào)鏈路

這個(gè)設(shè)計(jì)用一個(gè)熱敏電阻器測(cè)量溫度。熱敏電阻是非常適合在溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們感興趣的典型環(huán)境溫度范圍中讀取溫度值。熱敏電阻器指的是具備很大負(fù)溫度系數(shù)的電阻器。例如，器件型號(hào)為 KS502J2 (按照 US Sensor 公司的規(guī)定) 的熱敏電阻，在 25°C 時(shí)阻值為 5kΩ，在 -30°C 至 +70°C 溫度范圍內(nèi)，電阻值從 88kΩ 變化到 875Ω。

該熱敏電阻器與兩個(gè)準(zhǔn)確的 49.9kΩ 電阻串聯(lián)，并由精確的電壓基準(zhǔn) LT6654 偏置 (圖 2)。LTC2484 ΔΣ ADC 以 24 位分辨率測(cè)量電阻分壓器的分壓比。該 ADC 的總體未調(diào)整誤差為 15ppm，對(duì)于本文應(yīng)用所用的熱敏電阻器斜率而言，這對(duì)應(yīng)于少于 0.05°C 的溫度不確定性。這個(gè)熱敏電阻器規(guī)定的溫度準(zhǔn)確度為 0.1°C，因此無需任何校準(zhǔn)，所測(cè)量的溫度就能達(dá)到這樣的準(zhǔn)確度。

圖 2：采用 LTC2484 24 位 ADC 讀取熱敏電阻的電壓。因?yàn)檩斎牍材ｋ妷菏侵弥?，所?Easy Drive ADC 不吸取輸入電流，從而很容易準(zhǔn)確獲得成比例的讀數(shù)。

該 ADC 的噪聲低于 4μVp-p，這對(duì)應(yīng)不到 0.005°C 的溫度變化。因此，通過校準(zhǔn)，這個(gè)系統(tǒng)可以用來以極其精細(xì)的分辨率測(cè)量溫度。既然 ADC 測(cè)量熱敏電阻電壓與基準(zhǔn)電壓值之比，所以嚴(yán)格說來，基準(zhǔn)電壓無需準(zhǔn)確。但是它必須是低噪聲的，因?yàn)樵?ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)，基準(zhǔn)電壓變化可能引起誤差。

LTC2484 ADC 采用了 Easy Drive? 輸入結(jié)構(gòu)。這意味著在轉(zhuǎn)換時(shí)的凈差分采樣電流接近為零。因此，流經(jīng)阻性熱敏電阻器網(wǎng)絡(luò)的輸入采樣電流不引起任何測(cè)量誤差，這意味著，無需單獨(dú)的運(yùn)算放大器緩沖器。旁路電容器在高頻時(shí)提供一條低阻抗通路。在很多情況下，不需要不斷測(cè)量溫度，而是每秒測(cè)量一次甚至每分鐘只測(cè)量一次。在系統(tǒng)未測(cè)量溫度時(shí)，節(jié)省功耗是有意義的。如下所述，這個(gè)應(yīng)用電路正是這么做的。

電阻器網(wǎng)絡(luò)從 2.5V 基準(zhǔn)吸取最大 25μA 電流。為了避免測(cè)量之間的功率損耗，將基準(zhǔn)電源的工作周期調(diào)整為僅在測(cè)量期間導(dǎo)通。ADC 輸入的 RC 時(shí)間常數(shù)大約為 5ms。通過在進(jìn)行測(cè)量之前 80ms接通電源，可確保 ADC 輸入完全穩(wěn)定。實(shí)際上，既然兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)以相同的斜率接通，所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)不用理論的穩(wěn)定時(shí)間那么久，讀數(shù)就已準(zhǔn)確。LT6654 由 LTC3330 的 3V LDO 輸出供電。在讀取溫度讀數(shù)之前和之后的恰當(dāng)時(shí)間，LTP5901 微處理器驅(qū)動(dòng) LTC3330 中 LDO 的使能引腳至高電平和低電平。在未進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，LTC2484 自動(dòng)進(jìn)入休眠模式。與無線電已經(jīng)很低的功率相比，1μA 的睡眠電流更低。因此，不必設(shè)定至 ADC 供電電源的占空比。通過保持 ADC 的電源電壓始終與 LTP5901 相同，可確保 SPI 接口上的邏輯電平始終保持不變，這有助于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。

通過 SPI 端口提供轉(zhuǎn)換結(jié)果以后，LTC2484 自動(dòng)地開始進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到其內(nèi)部寄存器中，直到用戶再次要求讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。在需要非常頻繁地讀取溫度值的系統(tǒng)中，這種工作方式是非常便利。但是，有些超低功率應(yīng)用可能在兩次讀數(shù)之間等待很長(zhǎng)時(shí)間。為了確保提供給用戶的溫度數(shù)據(jù)始終是“新鮮”的讀數(shù)，這類應(yīng)用首先切換 CSb 和 SCK 引腳，以將“陳舊的”溫度讀數(shù)從 ADC 寄存器中移出，然后自動(dòng)地開始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。微處理器一直等待到轉(zhuǎn)換結(jié)束為止，然后通過 SPI 端口讀取結(jié)果。即使新的溫度讀取過程會(huì)再次自動(dòng)開始，但是系統(tǒng)接下來會(huì)關(guān)閉熱敏電阻器網(wǎng)絡(luò) (通過關(guān)閉 LDO)，因?yàn)檫@些額外的溫度讀數(shù)隨后將被忽略。

該溫度傳感器電路的總功耗可以按如下方法估計(jì)。首先，求基準(zhǔn) (350uA)、熱敏電阻器網(wǎng)絡(luò) (25μA) 和 ADC (轉(zhuǎn)換時(shí)為 160μA) 的電流之和，所得總電流為 535μA (參見表 1)。然后，考慮這一電流持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間。ADC 每次轉(zhuǎn)換大約耗時(shí) 140ms，在每次轉(zhuǎn)換之前，等待 80ms，以讓基準(zhǔn)和熱敏電阻器穩(wěn)定。再加上一些 SPI 讀數(shù)所需時(shí)間，這樣接通時(shí)間大約為 300ms。在 300ms時(shí)間內(nèi)消耗 535μA 電流，相應(yīng)于 160μC 的電荷量。我們應(yīng)該在這個(gè)電荷量之上，再加上給 4.7μF 電源旁路電容器充電至電壓基準(zhǔn)所需的電荷量，因?yàn)槊看巫x數(shù)時(shí)這個(gè)節(jié)點(diǎn)都從 0V 充電至 3V。加上這個(gè) 14μC 的電荷量，每次讀取溫度數(shù)據(jù)時(shí)所需的總電荷量為 174μC。如果每隔 10 秒讀取一次溫度數(shù)據(jù)，那么就可計(jì)算出，平均電流消耗為 17μA。其他平均電源電流的例子在表 2 中給出。

表 1：信號(hào)鏈路電流消耗 (工作時(shí))

表 2：基于溫度讀取頻率進(jìn)行電源管理的信號(hào)鏈路的平均電流消耗

LTC3330 管理這個(gè)應(yīng)用的所有電源。該芯片含有兩個(gè)開關(guān)模式電源和一個(gè)線性穩(wěn)壓器，采用小型單片封裝。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器可從電池取得功率，以保持穩(wěn)定的輸出電壓 (對(duì)這個(gè)應(yīng)用而言設(shè)定為 3.6V)。一個(gè)單獨(dú)的降壓型轉(zhuǎn)換器可從太陽(yáng)能電池板取得功率，也將輸出電壓調(diào)節(jié)至相同的值。一個(gè)內(nèi)部?jī)?yōu)先級(jí)區(qū)分器確保盡可能使用太陽(yáng)能電源，僅當(dāng)需要時(shí)才會(huì)從電池吸取功率 (圖 3)。對(duì)于其他應(yīng)用，LTC3330 還支持 AC 能量收集電源，例如產(chǎn)生與振動(dòng)能量成比例的 AC 電壓之壓電晶體 (參見圖 4)。

圖 3：LTC3330 從太陽(yáng)能電池板或電池取得功率，自動(dòng)地設(shè)定這兩種電源的優(yōu)先級(jí)，以保持穩(wěn)定輸出電壓。一個(gè)額外的 LDO 輸出由邏輯輸入引腳控制，這用來設(shè)定溫度傳感器電源的占空比。LTC3330 產(chǎn)生一個(gè)輸出標(biāo)記，以指示正在使用的是太陽(yáng)能電源還是電池電源。

圖 4：LTC3330 能量收集型 DC/DC 電池壽命延長(zhǎng)器從壓電、太陽(yáng)能或磁性能源收集能量。

LTC3330 吸取不到 1μA 靜態(tài)電流，非常適合這種低功耗無線應(yīng)用。電源功耗僅占總功耗的一小部分，所以大部分功率可用于“負(fù)載” (即溫度傳感器和無線網(wǎng)絡(luò))。

除了這兩個(gè)開關(guān)模式電源，LTC3330 還含有一個(gè)具備單獨(dú)使能引腳的 LDO。這功能對(duì)于這類占空比的應(yīng)用是很有用。電壓基準(zhǔn)和熱敏電阻器網(wǎng)絡(luò)用該 LDO 供電。這不僅降低了開關(guān)噪聲，還允許應(yīng)用切換信號(hào)鏈電源接通和關(guān)斷，同時(shí)保持無線電模塊的電源始終接通。即使無線電模塊在兩次傳輸之間不消耗太多功率，但是它必須始終保持偏置，以保持定時(shí)器正確運(yùn)行，這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就能保持時(shí)間同步了。無線電模塊內(nèi)的微處理器在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間給 LDO 使能引腳排序，使信號(hào)鏈路為讀取溫度數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。LTC3330 提供一個(gè)輸出標(biāo)記 (EH_ON)，該標(biāo)記說明系統(tǒng)是在由電池還是太陽(yáng)能電池板供電。能夠?qū)崟r(shí)訪問這一信息對(duì)最終用戶來說可能很重要。因此，我們讓無線電模塊中的微處理器讀取這一輸出標(biāo)記，并通過網(wǎng)絡(luò)與溫度數(shù)據(jù)一起傳送這一信息。EH_ON 輸出的邏輯電平是對(duì)于 LTC3330 的一個(gè)內(nèi)部偏置電壓，該偏置電壓隨工作模式不同而改變，可能高于 4V。我們不是將這個(gè)輸出引腳直接連接到電壓較低的無線電模塊邏輯輸入，而是對(duì)其進(jìn)行分壓，然后將其饋送給一個(gè)內(nèi)置的 10 位 ADC，該 ADC 是微處理器的組成部分。在本文情況下，我們僅將這個(gè) ADC 作為比較器使用，以指示 LTC3330 正在使用哪個(gè)電源。

無線網(wǎng)絡(luò)

LTP5901 是一個(gè)完整的無線電模塊，含有無線電收發(fā)器、嵌入式微處理器和網(wǎng)絡(luò)軟件。其物理設(shè)計(jì)由一塊小型印刷電路板組成，可非常容易地焊接到包含該應(yīng)用其余部分 (信號(hào)鏈路和電源管理) 之