基于無線傳感器節點的低功率電源轉換技術方案

無線傳感器節點(WSN)基本上是一個獨立的系統，它由一些換能器組成，能將環境能源轉換成電信號，其后跟著的通常是DC/DC轉換器和管理器，以通過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、傳感器和收發器。

在實現WSN時，需要考慮的一個問題是：運行這個WSN需要多少功率?從概念上看，這似乎是一個相當簡單的問題，然而實際上，由于受到若干因素的影響，這是一個有點難以回答的問題。例如，需要間隔多長時間獲取一次讀數?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) 產生更大的輸出功率但儲存較少的能量，在需要時供電，除此之外定期接收來自收集器的電荷。因此，在沒有可從其收集能量的環境能源時，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看，這進一步增加了復雜性，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，才能補償環境能源的不足。究竟需要儲存多少能量，取決于幾個因素，包括：

(1) 環境能源不存在的時間。

(2) WSN占空比(即讀取數據和發送數據的頻度)。

(3) 輔助電能儲存器(電容器、超級電容器或電池)的尺寸和類型。

(4) 環境能源是否足夠? 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，以當環境能源在某些規定時間內不可用時，給系統供電。

環境能源包括光、熱差、振動波束、發送的RF信號或者其他任何能夠通過換能器產生電荷的能源。以下表1說明了不同能源能夠產生的能量大小。

表1:能源及其產生的能量大小

一個毫微功率 IC 解決方案

顯然，WSN 可獲得的能量很低。這又意味著，該系統中所用組件必須能夠應對這種低功率情況。盡管收發器和微控制器已經解決了這個問題，但是在電源轉換方面仍然存在空白。不過，凌力爾特推出的LTC3388-1/LTC3388-3可以專門應對這種需求。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化效率。該器件在15uA至50mA負載范圍內可提供超過90%的效率，且僅需要400nA靜態電流，從而使其能夠延長電池壽命。該器件僅需要5個外部組件，可為種類繁多的低功率應用組成非常簡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時禁止轉換器，從而將靜態電流降至僅為400nA.一旦進入穩定狀態(無負載時)，LTC3388-1/LTC3388-3就進入休眠模式，以最大限度地降低靜態電流，使其達到僅為720nA.然后，該降壓型轉換器按需接通和斷開，以保持輸出穩定。當輸出在持續時間很短的負載 (例如無線調制解調器，這類負載要求低紋波) 情況下處于穩定狀態時，另一種備用模式禁止切換。這種高效率、低靜態電流設計適用于能量收集等多種應用，這類應用需要長充電周期，同時以短突發負載為傳感器和無線調制解調器供電。

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電流使該器件非常適用于低功率應用。低于1?A的靜態電流可為便攜式電子產品中 “保持有效” 的電路延長電池壽命，實現了WSN等全新一代能量收集應用。