基于DC/DC轉換器的WSN節點電源模塊設計

鄧翠蘭

摘要：無線傳感網絡節點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下降導致節點供電電源不穩定，且不能充分利用電池內部所存儲能量。本文的電源管理模塊可對干電池的進行DC/DC轉換，采用升壓轉換結構，高效率地實現額定電壓輸出。通過分析節點的工作特性，給出了元器件的選型方案。經實際測得數據分析，該模塊的轉換效率最高可達90%以上，極大地提高了電池的使用效率以及網絡節點的能量利用率。同時由于該模塊體積較小，便于與其他產品相結合，因此具有良好的擴展性和通用性。

關鍵詞：DC/DC轉換器 升壓 電源模塊 WSN節點

中圖分類號：TN492；TN02 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0153-02

1 引言

現代科技飛速發展，無線傳感器網絡廣泛應用于軍事、環境監測和預報、智能家居、精準農業等領域。無線傳感器網絡（WSN）是由大量部署在監測區域內以電池為能源的廉價微型傳感器節點組成的，隨著傳感器中傳感器件和發送器件體積的不斷縮小，電源占用無線傳感器網絡節點的體積則相對越來越大，成為了傳感器小型化的瓶頸。目前，大部分的WSN節點使用兩節AA電池供能，當電池能量耗盡時，就必須進行電池更換或者充電，通常，網絡節點數量龐大且工作環境比較惡劣，頻繁更換電池十分困難，所以低功耗是WSN節點設計的首要目標。

本文針對節點電源電壓特性和節點各模塊工作電流特性，采用低功耗升壓DC/DC轉換器對節點電源模塊進行設計，并給出了元器件的選型方案以及整個電路的設計方案，實現了高效率地將干電池電能轉換為節點各模塊的工作能量，經過實際測試分析，有效利用了整個干電池的電能，延長了電池的使用壽命。

2 WSN節點電源模塊設計方案

“體積小、效率高、價格便宜”，是無線傳感網絡節點電源模塊的總體設計要求。因此，電源模塊設計方案主要取決于節點的特性和大小、效率或成本方面的綜合要求。級聯升壓轉換器由兩級或多級升壓轉換器離散組成，由于其采用了兩級或多級轉換，其電源轉換率為各級轉換器效率之積，如此效率將會大大降低。同時，由于分立的轉換器使得元件的尺寸和數量都有所增加，不適用于要求體積盡量小的WSN節點電源。此外，分立的元器件還將大大增加設計的成本。而升壓轉換器可以很高效率地對干電池的絕大部分能量加以利用，加之升壓轉換器需要的外部電路十分簡單，體積也較小，滿足本設計的要求。

3 節點工作特性分析

典型WSN節點主要包括四個模塊，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節點中各模塊工作電源都由電源模塊提供。由于系統的功耗P和系統的供電電壓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MSP430F169。該芯片工作在1.8～3.6V電壓上，在1MHz的時鐘下運行時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。溫度轉換期間該傳感器工作電流達到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模塊NRF24L01，0dbm功率發射時發射電流為13mA，最大接收電流為18mA，待機電流為15μA。同時，在考慮信息處理模塊的外圍輔助電路的能耗的情況下，總的工作電流可達到30mA。綜合考慮以上模塊的工作特性，應該選用輸出穩壓+3.3V 30mA的升壓轉換器。

4 TPS61221簡介

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

①EN：芯片使能輸入引腳，當EN=‘1時，芯片使能；②FB：電壓反饋輸入引腳，通過對輸出電壓進行分壓反饋從而實現對輸出電壓大小的控制。正常工作時其電壓典型值為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：（1）在VIN≥1.2V，VOUT=3.3V時，輸出電流為30mA；（2）器件典型靜態電流僅為5.5μA；（3）啟動電壓為0.7V；（4）工作電壓為0.7V～5.5V。

5 節點電源模塊的設計

WSN節點電源模塊采用的是兩節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芯片對網絡節點供電模塊進行設計，該模塊結構設計如圖3所示。

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

（1）輸入電壓。如圖4所示為TPS61221應用原理電路。其輸入電壓為兩節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行，必須選擇一個合適的電感，4.7μH在整個輸入輸出電壓范圍內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定性好，而且等效串聯電阻（ESR）小，有較小的紋波電壓及更好的效率。

6 節點電源模塊性能測試

在理論上，本設計所采用的TPS61221升壓轉換器在固定輸出3.3V穩定電壓時最高可以達到95%以上的轉換效率，而實際應用時有一定的差別存在。對于普通的電壓轉換電路而言，最關鍵的一個參數就是轉換效率η。通常電源模塊的轉換效率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，設計中搭建了測試平臺對電源模塊的穩壓特性及轉換效率以進行分析測試，測試中，主要通過對干電池寬電壓（0.7V的啟動電壓～兩節干電池滿電壓3V）變化時升壓轉換器輸入輸出數據的采集來分析電源模塊的各項性能參數。測試結果如圖5、圖6、圖7所示。

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

圖6是芯片使能時，空載情況下不同輸入電壓對應的輸入電流，由圖可知空載時輸入電流在啟動電壓0.7V時最大，為35μA，隨著輸入電壓逐漸增大，空載時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，輸入電流與其對應的輸出電壓關系曲線。從圖中可看出，若VIN=0.7V，當IOUT≤30mA時，輸出電壓VOUT一直比較穩定地保持在3.3V左右，若IOUT繼續增大，VOUT的值將迅速減小；若VIN=1.2V，當IOUT≤50mA時，穩定輸出3.3V左右電壓；而若VIN=2.4V時，圖中所測范圍輸出電壓持續穩定在要求電壓左右。以上分析可知本設計穩壓效果完全滿足了要求。

7 結語

根據實際負載需求，選取合適的DC/DC升壓轉換器（TPS61221）以設計WSN節點的電源模塊，結合所選取的轉換器特性進行相關元器件的選取以及具體電路的分析，設計出節點的電源模塊。經過實際測試證明，利用TPS61221設計的WSN節點電源管理模塊，集成度高，外圍電路簡單，其輸出電壓不會隨著干電池的變化而變化，高效率地將整個干電池電能傳輸給節點其他模塊。此外，此電源模塊也滿足WSN節點“小體積、高效率、價格便宜”的設計要求，極大的提高了系統的通用性和靈活性。

參考文獻

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