基于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的低功率電源轉(zhuǎn)換技術(shù)方案

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)(WSN)基本上是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，它由一些換能器組成，能將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其后跟著的通常是DC/DC轉(zhuǎn)換器和管理器，以通過(guò)合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件包括微控制器、傳感器和收發(fā)器。

在實(shí)現(xiàn)WSN時(shí)，需要考慮的一個(gè)問(wèn)題是：運(yùn)行這個(gè)WSN需要多少功率?從概念上看，這似乎是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，然而實(shí)際上，由于受到若干因素的影響，這是一個(gè)有點(diǎn)難以回答的問(wèn)題。例如，需要間隔多長(zhǎng)時(shí)間獲取一次讀數(shù)?或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包多大?需要傳送多遠(yuǎn)? 這是因?yàn)?，獲取一次傳感器讀數(shù)，系統(tǒng)所用能量約有50%是收發(fā)器消耗掉的。有若干種因素影響WSN能量收集系統(tǒng)的功耗特性。

當(dāng)然，能量收集電源提供的能量多少取決于電源工作多久。因此，比較能量收集電源的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是功率密度，而不是能量密度。能量收集系統(tǒng)的可用功率一般很低，隨時(shí)變化且不可預(yù)測(cè)，因此常常采用連接到收集器和輔助電力儲(chǔ)存器的混合架構(gòu)。收集器(由于能量供給不受限制和功率不足)是系統(tǒng)的能源。輔助電能儲(chǔ)存器 (電池或電容器) 產(chǎn)生更大的輸出功率但儲(chǔ)存較少的能量，在需要時(shí)供電，除此之外定期接收來(lái)自收集器的電荷。因此，在沒(méi)有可從其收集能量的環(huán)境能源時(shí)，必須用輔助電能儲(chǔ)存器給WSN供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的角度來(lái)看，這進(jìn)一步增加了復(fù)雜性，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)在必須考慮，必須在輔助電能儲(chǔ)存器中儲(chǔ)存多少能量，才能補(bǔ)償環(huán)境能源的不足。究竟需要儲(chǔ)存多少能量，取決于幾個(gè)因素，包括：

(1) 環(huán)境能源不存在的時(shí)間。

(2) WSN占空比(即讀取數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的頻度)。

(3) 輔助電能儲(chǔ)存器(電容器、超級(jí)電容器或電池)的尺寸和類型。

(4) 環(huán)境能源是否足夠? 即既能充當(dāng)主能源，又有足夠的富余能量給輔助電能儲(chǔ)存器充電，以當(dāng)環(huán)境能源在某些規(guī)定時(shí)間內(nèi)不可用時(shí)，給系統(tǒng)供電。

環(huán)境能源包括光、熱差、振動(dòng)波束、發(fā)送的RF信號(hào)或者其他任何能夠通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的能源。以下表1說(shuō)明了不同能源能夠產(chǎn)生的能量大小。

表1:能源及其產(chǎn)生的能量大小

一個(gè)毫微功率 IC 解決方案

顯然，WSN 可獲得的能量很低。這又意味著，該系統(tǒng)中所用組件必須能夠應(yīng)對(duì)這種低功率情況。盡管收發(fā)器和微控制器已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，但是在電源轉(zhuǎn)換方面仍然存在空白。不過(guò)，凌力爾特推出的LTC3388-1/LTC3388-3可以專門(mén)應(yīng)對(duì)這種需求。這是一款20V輸入、同步降壓型轉(zhuǎn)換器，可提供高達(dá)50mA的連續(xù)輸出電流，采用3mmx3mm(或MSOP10-E)封裝，參見(jiàn)圖1所示原理圖。該器件在2.7V至20V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，適用于多種能量收集和電池供電應(yīng)用，包括 “保持有效” 的電源和工業(yè)控制電源。

圖1:LTC3388-1/LTC3388-3典型應(yīng)用原理圖

LTC3388-1/LTC3388-3運(yùn)用遲滯同步整流方法，以在很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)優(yōu)化效率。該器件在15uA至50mA負(fù)載范圍內(nèi)可提供超過(guò)90%的效率，且僅需要400nA靜態(tài)電流，從而使其能夠延長(zhǎng)電池壽命。該器件僅需要5個(gè)外部組件，可為種類繁多的低功率應(yīng)用組成非常簡(jiǎn)單和占板面積很緊湊的解決方案。

另外，該器件還提供準(zhǔn)確的欠壓閉鎖(ULVO)功能，以在輸入電壓降至低于2.3V時(shí)禁止轉(zhuǎn)換器，從而將靜態(tài)電流降至僅為400nA.一旦進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)(無(wú)負(fù)載時(shí))，LTC3388-1/LTC3388-3就進(jìn)入休眠模式，以最大限度地降低靜態(tài)電流，使其達(dá)到僅為720nA.然后，該降壓型轉(zhuǎn)換器按需接通和斷開(kāi)，以保持輸出穩(wěn)定。當(dāng)輸出在持續(xù)時(shí)間很短的負(fù)載 (例如無(wú)線調(diào)制解調(diào)器，這類負(fù)載要求低紋波) 情況下處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，另一種備用模式禁止切換。這種高效率、低靜態(tài)電流設(shè)計(jì)適用于能量收集等多種應(yīng)用，這類應(yīng)用需要長(zhǎng)充電周期，同時(shí)以短突發(fā)負(fù)載為傳感器和無(wú)線調(diào)制解調(diào)器供電。

結(jié)論

在需要轉(zhuǎn)換毫微安電流的較低功率情況下，電源轉(zhuǎn)換IC的選擇就變得有限。而LTC3388-1/LTC3388-3單片降壓型轉(zhuǎn)換器的極低靜態(tài)電流使該器件非常適用于低功率應(yīng)用。低于1?A的靜態(tài)電流可為便攜式電子產(chǎn)品中 “保持有效” 的電路延長(zhǎng)電池壽命，實(shí)現(xiàn)了WSN等全新一代能量收集應(yīng)用。