如何在無線傳感器節(jié)點(diǎn)中使用升壓轉(zhuǎn)換器

我之前討論了無線傳感器節(jié)點(diǎn)中長電池壽命的重要性以及特定的占空比實(shí)現(xiàn)。在這篇文章中，我將詳細(xì)介紹這些無線傳感器節(jié)點(diǎn)的一些電源拓?fù)渥⒁馐马?xiàng)。

在某些無線傳感器節(jié)點(diǎn)中，我們必須為各種集成電路提供良好調(diào)節(jié)的工作電壓。也許高精度模擬傳感組件需要不漂移的電壓，或者傳感器節(jié)點(diǎn)中的組件需要比電池所能提供的電壓更高的電壓。此外，隨著電池壽命接近尾聲時(shí)電壓下降，該電池的可用范圍會縮短。添加一個(gè)設(shè)計(jì)良好的升壓轉(zhuǎn)換器可以為實(shí)現(xiàn)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的長電池壽命提供缺失的環(huán)節(jié)。

在占空比無線傳感器節(jié)點(diǎn)中，幾乎整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在關(guān)閉狀態(tài)期間完全斷電。為了獲得最佳電池壽命，這將包括任何電源管理。當(dāng)轉(zhuǎn)換到開啟狀態(tài)時(shí)，升壓轉(zhuǎn)換器開始正常運(yùn)行，為模擬感應(yīng)電路以及低于 1GHz 的無線微控制器(MCU) 提供經(jīng)過良好調(diào)節(jié)的電壓軌。如果升壓轉(zhuǎn)換器的效率在通態(tài)電流下非常高，那么由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率損失引起的電池壽命縮短將是最小的。增加一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器也將增加電池的可用電壓范圍。我們無需在電池壽命和良好調(diào)節(jié)的電壓軌之間做出妥協(xié)。

適用于濕度和溫度傳感器節(jié)點(diǎn)的 TI Designs 參考設(shè)計(jì) ( TIDA-00484 ) 演示了一種優(yōu)化方法，可為占空比傳感器節(jié)點(diǎn)中的模擬傳感和無線 MCU 提供良好調(diào)節(jié)的 3.3V 電壓軌。圖 1 是用于低于 1GHz 星形網(wǎng)絡(luò)的濕度和溫度傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)框圖，可實(shí)現(xiàn)10 年以上的紐扣電池壽命參考設(shè)計(jì)。本示例中使用的升壓轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)置旁路模式，這對于延長電池壽命至關(guān)重要。圖 2 顯示了TPS61291 升壓轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路。

TPS61291是一款具有引腳可選擇輸出電壓和集成旁路模式的升壓轉(zhuǎn)換器。在旁路操作中，該設(shè)備提供從輸入到系統(tǒng)的直接路徑，并允許諸如MSP430的低功耗微控制器（MCU）直接從單個(gè)3V Li-MnO2電池或雙堿性電池單元操作。
在旁路模式下，用于升壓模式操作的集成反饋分壓器網(wǎng)絡(luò)與輸出斷開，靜態(tài)電流消耗降至僅15nA（典型）。
在升壓模式下，設(shè)備在3.3V輸出和1.8V輸入時(shí)提供200mA的最小輸出電流。升壓模式用于需要調(diào)節(jié)電源電壓且不能直接從輸入源工作的系統(tǒng)部件。boost變換器基于電流模式控制器，采用同步整流以獲得最大效率，輸出通常消耗5.7μa。在升壓轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)期間，VSEL引腳被讀出，集成反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出電壓設(shè)置為2.5V、3V或3.3V。
旁路模式或增壓模式操作由系統(tǒng)通過EN/BYP引腳控制。
該設(shè)備集成了一個(gè)增強(qiáng)的旁路模式控制，以防止在升壓模式操作期間存儲在輸出電容器中的電荷流回輸入并為電池充電。

圖 1：TIDA-00484 參考設(shè)計(jì)的框圖  

圖 2：TPS61291 升壓轉(zhuǎn)換器典型應(yīng)用 

在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，毫微功耗系統(tǒng)定時(shí)器同時(shí)控制超低漏電流負(fù)載開關(guān)和升壓轉(zhuǎn)換器旁路模式。在關(guān)閉狀態(tài)下，升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)置為旁路模式，將電池直接連接到負(fù)載開關(guān)，同時(shí)繞過升壓電感以降低損耗。在此期間升壓轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流通常為 15nA。負(fù)載開關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)期間打開，從而將濕度傳感器和無線 MCU 與升壓輸出斷開連接，有效地與電池?cái)嚅_連接。

在開啟狀態(tài)期間，毫微功耗系統(tǒng)定時(shí)器將升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)置為正常升壓操作并關(guān)閉負(fù)載開關(guān)，從而將模擬傳感和無線 MCU 連接到現(xiàn)在已調(diào)節(jié)的 3.3V 電壓軌。添加穩(wěn)壓電壓軌使傳感器節(jié)點(diǎn)能夠更充分地耗盡電池并使用最小電壓可能高于電池電壓的傳感器。

該參考設(shè)計(jì)優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的電池壽命，因?yàn)樯龎恨D(zhuǎn)換器的旁路模式、毫微功耗系統(tǒng)定時(shí)器和超低泄漏負(fù)載開關(guān)將關(guān)斷狀態(tài)平均電流降低到幾十毫微安，低于大多數(shù)典型的 MCU關(guān)機(jī)模式。此外，本參考設(shè)計(jì)中使用的無線 MCU 和濕度傳感器功耗極低，可將通態(tài)平均電流降至 5mA 以下。由于傳感器測量和無線數(shù)據(jù)傳輸僅需30ms左右即可完成，預(yù)計(jì)系統(tǒng)電池壽命大于10年（每分鐘測量一次）。

當(dāng)在具有納功率系統(tǒng)定時(shí)器的占空比架構(gòu)中使用時(shí)，該升壓轉(zhuǎn)換器使無線傳感器節(jié)點(diǎn)成為各種傳感器類型的實(shí)際應(yīng)用。由于系統(tǒng)電池壽命比電池本身的典型保質(zhì)期更長，此 TI 設(shè)計(jì)參考設(shè)計(jì)展示了如何使用差異化升壓轉(zhuǎn)換器為許多應(yīng)用實(shí)施無線傳感器節(jié)點(diǎn)。