基于DC/DC轉(zhuǎn)換器的WSN節(jié)點(diǎn)電源模塊設(shè)計(jì)

鄧翠蘭

摘要：無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大多采用干電池供電，而干電池在使用過程中其輸出電壓持續(xù)下降導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)供電電源不穩(wěn)定，且不能充分利用電池內(nèi)部所存儲(chǔ)能量。本文的電源管理模塊可對(duì)干電池的進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換，采用升壓轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，高效率地實(shí)現(xiàn)額定電壓輸出。通過分析節(jié)點(diǎn)的工作特性，給出了元器件的選型方案。經(jīng)實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)分析，該模塊的轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)90%以上，極大地提高了電池的使用效率以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量利用率。同時(shí)由于該模塊體積較小，便于與其他產(chǎn)品相結(jié)合，因此具有良好的擴(kuò)展性和通用性。

關(guān)鍵詞：DC/DC轉(zhuǎn)換器 升壓 電源模塊 WSN節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TN492；TN02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）12-0153-02

1 引言

現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、智能家居、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)以電池為能源的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，隨著傳感器中傳感器件和發(fā)送器件體積的不斷縮小，電源占用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體積則相對(duì)越來越大，成為了傳感器小型化的瓶頸。目前，大部分的WSN節(jié)點(diǎn)使用兩節(jié)AA電池供能，當(dāng)電池能量耗盡時(shí)，就必須進(jìn)行電池更換或者充電，通常，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大且工作環(huán)境比較惡劣，頻繁更換電池十分困難，所以低功耗是WSN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。

本文針對(duì)節(jié)點(diǎn)電源電壓特性和節(jié)點(diǎn)各模塊工作電流特性，采用低功耗升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器對(duì)節(jié)點(diǎn)電源模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并給出了元器件的選型方案以及整個(gè)電路的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了高效率地將干電池電能轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)各模塊的工作能量，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試分析，有效利用了整個(gè)干電池的電能，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

2 WSN節(jié)點(diǎn)電源模塊設(shè)計(jì)方案

“體積小、效率高、價(jià)格便宜”，是無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源模塊的總體設(shè)計(jì)要求。因此，電源模塊設(shè)計(jì)方案主要取決于節(jié)點(diǎn)的特性和大小、效率或成本方面的綜合要求。級(jí)聯(lián)升壓轉(zhuǎn)換器由兩級(jí)或多級(jí)升壓轉(zhuǎn)換器離散組成，由于其采用了兩級(jí)或多級(jí)轉(zhuǎn)換，其電源轉(zhuǎn)換率為各級(jí)轉(zhuǎn)換器效率之積，如此效率將會(huì)大大降低。同時(shí)，由于分立的轉(zhuǎn)換器使得元件的尺寸和數(shù)量都有所增加，不適用于要求體積盡量小的WSN節(jié)點(diǎn)電源。此外，分立的元器件還將大大增加設(shè)計(jì)的成本。而升壓轉(zhuǎn)換器可以很高效率地對(duì)干電池的絕大部分能量加以利用，加之升壓轉(zhuǎn)換器需要的外部電路十分簡(jiǎn)單，體積也較小，滿足本設(shè)計(jì)的要求。

3 節(jié)點(diǎn)工作特性分析

典型WSN節(jié)點(diǎn)主要包括四個(gè)模塊，分別是：傳感器模塊、信息處理模塊、無線通信模塊和電源模塊，如圖1所示。從圖1中可知，WSN節(jié)點(diǎn)中各模塊工作電源都由電源模塊提供。由于系統(tǒng)的功耗P和系統(tǒng)的供電電壓U的平方成正比，即電壓越小，功耗也就越小。因此從低功耗方面考慮，應(yīng)盡量選擇供電電壓低的芯片。其中信息處理模塊采用了16位超低功耗單片機(jī)MSP430F169。該芯片工作在1.8～3.6V電壓上，在1MHz的時(shí)鐘下運(yùn)行時(shí)工作電流視工作模式不同為0.1～280μA。傳感器模塊采用了DS18B20溫度傳感器。溫度轉(zhuǎn)換期間該傳感器工作電流達(dá)到1mA。無線通信模塊則采用的是Nordic公司出品的單芯片無線收發(fā)模塊NRF24L01，0dbm功率發(fā)射時(shí)發(fā)射電流為13mA，最大接收電流為18mA，待機(jī)電流為15μA。同時(shí)，在考慮信息處理模塊的外圍輔助電路的能耗的情況下，總的工作電流可達(dá)到30mA。綜合考慮以上模塊的工作特性，應(yīng)該選用輸出穩(wěn)壓+3.3V 30mA的升壓轉(zhuǎn)換器。

4 TPS61221簡(jiǎn)介

TPS6122x的引腳排列圖如圖2所示，其中TPS61220為輸出1.8V～6V可調(diào)版本，TPS61221和TPS61222則分別為穩(wěn)定輸出電壓3.3V、5V版本。表1列出了每個(gè)引腳的功能描述。

①EN：芯片使能輸入引腳，當(dāng)EN=‘1時(shí)，芯片使能；②FB：電壓反饋輸入引腳，通過對(duì)輸出電壓進(jìn)行分壓反饋從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓大小的控制。正常工作時(shí)其電壓典型值為0.5V。固定輸出版本此引腳必須直連到電壓輸出引腳。

TPS61221的主要性能參數(shù)：（1）在VIN≥1.2V，VOUT=3.3V時(shí)，輸出電流為30mA；（2）器件典型靜態(tài)電流僅為5.5μA；（3）啟動(dòng)電壓為0.7V；（4）工作電壓為0.7V～5.5V。

5 節(jié)點(diǎn)電源模塊的設(shè)計(jì)

WSN節(jié)點(diǎn)電源模塊采用的是兩節(jié)AA干電池供電，其輸出為供傳感器模塊、信息處理模塊以及無線通信模塊工作的+3.3V 30mA DC。因此，選取TI公司的TPS61221芯片對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，該模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

TPS61221的應(yīng)用電路圖如圖4所示。EN引腳與VIN引腳直連，這樣當(dāng)輸入的電壓值達(dá)到了芯片的工作電壓時(shí)，芯片能夠正常使能。

（1）輸入電壓。如圖4所示為TPS61221應(yīng)用原理電路。其輸入電壓為兩節(jié)AA干電池，電池電壓從3V開始逐漸降低，在2.4V左右電壓迅速下降，直至0.9V左右電池能量基本耗盡。

（2）電感選擇。為了保證芯片正常運(yùn)行，必須選擇一個(gè)合適的電感，4.7μH在整個(gè)輸入輸出電壓范圍內(nèi)都顯示著良好的效果，因此通常選擇4.7μH的電感。

（3）輸入電容。輸入電容應(yīng)盡量靠近VIN端。該電容能夠減小電源的峰值電流及噪聲輸入。一般此電容的容量與輸出電容容量相等，或者小于輸出電容的容量。

（4）輸出電容。輸出電容用作電路溫度及減小輸出紋波電壓。一般使用10μF容量的電容，采用貼片式陶瓷電容不僅溫度穩(wěn)定性好，而且等效串聯(lián)電阻（ESR）小，有較小的紋波電壓及更好的效率。

6 節(jié)點(diǎn)電源模塊性能測(cè)試

在理論上，本設(shè)計(jì)所采用的TPS61221升壓轉(zhuǎn)換器在固定輸出3.3V穩(wěn)定電壓時(shí)最高可以達(dá)到95%以上的轉(zhuǎn)換效率，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)有一定的差別存在。對(duì)于普通的電壓轉(zhuǎn)換電路而言，最關(guān)鍵的一個(gè)參數(shù)就是轉(zhuǎn)換效率η。通常電源模塊的轉(zhuǎn)換效率η用下式定義：endprint

，

式中，為輸出功率（W），為輸入功率（W），為輸出電壓，為輸出電流，為干電池輸入電壓，為干電池輸出電流。

同時(shí)，設(shè)計(jì)中搭建了測(cè)試平臺(tái)對(duì)電源模塊的穩(wěn)壓特性及轉(zhuǎn)換效率以進(jìn)行分析測(cè)試，測(cè)試中，主要通過對(duì)干電池寬電壓（0.7V的啟動(dòng)電壓～兩節(jié)干電池滿電壓3V）變化時(shí)升壓轉(zhuǎn)換器輸入輸出數(shù)據(jù)的采集來分析電源模塊的各項(xiàng)性能參數(shù)。測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。

圖5是測(cè)試得到的在IOUT=30mA，VOUT=3.3V時(shí)，轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率曲線。由圖可知，在VIN>2.4V時(shí)，芯片轉(zhuǎn)換率都在90%以上，此時(shí)干電池輸出電壓下降緩慢，所存儲(chǔ)的能量比較充足，高轉(zhuǎn)換率能充分利用電池內(nèi)部存儲(chǔ)能量。當(dāng)0.9V

圖6是芯片使能時(shí)，空載情況下不同輸入電壓對(duì)應(yīng)的輸入電流，由圖可知空載時(shí)輸入電流在啟動(dòng)電壓0.7V時(shí)最大，為35μA，隨著輸入電壓逐漸增大，空載時(shí)輸入電流逐漸減小至10μA以下。充分滿足了低功耗的要求。

圖7顯示的輸入不同電壓時(shí)，輸入電流與其對(duì)應(yīng)的輸出電壓關(guān)系曲線。從圖中可看出，若VIN=0.7V，當(dāng)IOUT≤30mA時(shí)，輸出電壓VOUT一直比較穩(wěn)定地保持在3.3V左右，若IOUT繼續(xù)增大，VOUT的值將迅速減??；若VIN=1.2V，當(dāng)IOUT≤50mA時(shí)，穩(wěn)定輸出3.3V左右電壓；而若VIN=2.4V時(shí)，圖中所測(cè)范圍輸出電壓持續(xù)穩(wěn)定在要求電壓左右。以上分析可知本設(shè)計(jì)穩(wěn)壓效果完全滿足了要求。

7 結(jié)語

根據(jù)實(shí)際負(fù)載需求，選取合適的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器（TPS61221）以設(shè)計(jì)WSN節(jié)點(diǎn)的電源模塊，結(jié)合所選取的轉(zhuǎn)換器特性進(jìn)行相關(guān)元器件的選取以及具體電路的分析，設(shè)計(jì)出節(jié)點(diǎn)的電源模塊。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試證明，利用TPS61221設(shè)計(jì)的WSN節(jié)點(diǎn)電源管理模塊，集成度高，外圍電路簡(jiǎn)單，其輸出電壓不會(huì)隨著干電池的變化而變化，高效率地將整個(gè)干電池電能傳輸給節(jié)點(diǎn)其他模塊。此外，此電源模塊也滿足WSN節(jié)點(diǎn)“小體積、高效率、價(jià)格便宜”的設(shè)計(jì)要求，極大的提高了系統(tǒng)的通用性和靈活性。

參考文獻(xiàn)

[1]Texas Instruments.low input voltage step-up converter in 6 pin sc-70 package.

[2]華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]（日）馬場(chǎng)清太郎著.電源電路設(shè)計(jì)技巧.丁志強(qiáng)譯.北京：科學(xué)出版社，2013.

[4]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.便攜式電子設(shè)備電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.