基于無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的低功率電源轉換技術(shù)方案

無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)(WSN)基本上是一個(gè)獨立的系統，它由一些換能器組成，能將環(huán)境能源轉換成電信號，其后跟著(zhù)的通常是DC/DC轉換器和管理器，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WSN時(shí)，需要考慮的一個(gè)問(wèn)題是：運行這個(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(cháng)時(shí)間獲取一次讀數?或者，更重要的是，數據包多大?需要傳送多遠? 這是因為，獲取一次傳感器讀數，系統所用能量約有50%是收發(fā)器消耗掉的。有若干種因素影響WSN能量收集系統的功耗特性。

當然，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準是功率密度，而不是能量密度。能量收集系統的可用功率一般很低，隨時(shí)變化且不可預測，因此常常采用連接到收集器和輔助電力儲存器的混合架構。收集器(由于能量供給不受限制和功率不足)是系統的能源。輔助電能儲存器 (電池或電容器) 產(chǎn)生更大的輸出功率但儲存較少的能量，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)，必須用輔助電能儲存器給WSN供電。當然，從系統設計師的角度來(lái)看，這進(jìn)一步增加了復雜性，因為他們現在必須考慮，必須在輔助電能儲存器中儲存多少能量，才能補償環(huán)境能源的不足。究竟需要儲存多少能量，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(即讀取數據和發(fā)送數據的頻度)。

(3) 輔助電能儲存器(電容器、超級電容器或電池)的尺寸和類(lèi)型。

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

環(huán)境能源包括光、熱差、振動(dòng)波束、發(fā)送的RF信號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(zhù)，該系統中所用組件必須能夠應對這種低功率情況。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(zhuān)門(mén)應對這種需求。這是一款20V輸入、同步降壓型轉換器，可提供高達50mA的連續輸出電流，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的輸入電壓范圍內工作，適用于多種能量收集和電池供電應用，包括 “保持有效” 的電源和工業(yè)控制電源。

圖1:LTC3388-1/LTC3388-3典型應用原理圖

LTC3388-1/LTC3388-3運用遲滯同步整流方法，以在很寬的負載電流范圍內優(yōu)化效率。該器件在15uA至50mA負載范圍內可提供超過(guò)90%的效率，且僅需要400nA靜態(tài)電流，從而使其能夠延長(cháng)電池壽命。該器件僅需要5個(gè)外部組件，可為種類(lèi)繁多的低功率應用組成非常簡(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)禁止轉換器，從而將靜態(tài)電流降至僅為400nA.一旦進(jìn)入穩定狀態(tài)(無(wú)負載時(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，使其達到僅為720nA.然后，該降壓型轉換器按需接通和斷開(kāi)，以保持輸出穩定。當輸出在持續時(shí)間很短的負載 (例如無(wú)線(xiàn)調制解調器，這類(lèi)負載要求低紋波) 情況下處于穩定狀態(tài)時(shí)，另一種備用模式禁止切換。這種高效率、低靜態(tài)電流設計適用于能量收集等多種應用，這類(lèi)應用需要長(cháng)充電周期，同時(shí)以短突發(fā)負載為傳感器和無(wú)線(xiàn)調制解調器供電。

結論

在需要轉換毫微安電流的較低功率情況下，電源轉換IC的選擇就變得有限。而LTC3388-1/LTC3388-3單片降壓型轉換器的極低靜態(tài)電流使該器件非常適用于低功率應用。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(cháng)電池壽命，實(shí)現了WSN等全新一代能量收集應用。