從壓電換能器為Dust Networks節點供電

摘要：SmartMesh傳感器和控制器常常部署在無法便利地提供電力連接的地方。本文介紹了毫微功率降壓一升壓型DC/DC轉換器LTC3330。實驗表明，LTC3330采用MidéV25W壓電換能器和連接至BAT引腳的主電池，為用振動源給Dust Networks節點供電提供了一個完整解決方案。V25W壓電換能器用一個振動源支持輸出功率需求，因此延長了電池壽命。在此基礎上再給VOUT連接一個超級電容器后，LTC3330還可以進一步延長電池壽命，從而減少了要求更換電池的維護需求。

關鍵詞：傳感器；控制器；DC/DC轉換器；電源管理

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.017

提高對制造廠、發電廠、提煉廠等工業環境的遠程監視和控制的水平，有助于工藝工程師和經理全面了解系統或工廠的健康情況，最終有助于改善決策。擴大監視和控制范圍的最簡便方法是采用Dust Networks^?SmartMesh^?無線傳感器網絡，該網絡易于安裝在偏遠環境中。SmartMesh傳感器和控制器常常部署在無法便利地提供電力連接的地方。由于這個原因，采用能量收集技術為這類傳感器供電很有吸引力。

LTC3330是一款毫微功率降壓一升壓型DC/DC轉換器，采用了能量收集電池壽命延長技術，可連接到壓電換能器上提供能量，為Dust Networks節點供電。LTC3330集成了一個高壓降壓型能量收集電源和一個降壓-升壓型DC/DC轉換器，該轉換器由主電池供電，產生一個輸出始終接通的電源，為安裝在偏遠地點的Dust節點供電。

當振動能量可用時，LTC3330用振動能量而不是電池作為電源。當振動能量短期不可用時，LTC3330對超級電容器進行充電和平衡，超級電容器在需要時可接通以支持負載。LTC3330的能量收集和超級電容器充電/平衡電路相結合，可使主電池壽命延長數個量級，從而顯著減少了要求更換電池的維護需求（乘以所安裝的傳感器/控制器數量，就是節省的總費用）。

1 連接LTC3330與Dust節點

圖1顯示、LTC3330連接了一個輸出超級電容器、一個Dust節點、一個安裝的電池和EH—ON連接至OUT2。在這一配置中，當EH_ON為低時，VOUT設定為2.5V，當EH_ON為高時，VOUT設定為3.6V。一個Midé V25W壓電換能器以機械方式連接至一個振動源，其電氣連接點連至LTC3330的AC1和AC2引腳。該振動源在60Hz加速度時產生1g_RMS的力，這產生10.6VP_EAK的開路電壓。圖2顯示，V25W壓電換能器給輸入電容器再充電。該輸入電容器在208ms時間內從4.48V充電至5.92V。V25W提供的功率為648UW。在所加電壓為5.OV時，22μF電容器僅為18μF，因此每個VIN一UVLO RISING和FALLING事件都產生26μC電荷，再減去效率為90%的LTC3330降壓型穩壓器消耗的電量，就得到傳送給輸出的電荷量。圖3顯示，輸出超級電容器用Mide V25W換能器充電至3.6V。輸出超級電容器充電至3.6V大約需要3300秒時間。

在圖1中，當EH_ON為低時，V_OUT設定值為2.5V，當EH_ON為高時，V_OUT設定值為3.6V。圖4中的第一個標記指示振動源激活點；V_IN上升至高于VIN_UVLO_RISING門限。EH_ON變高，導致V_OUT向著3.6V上升（V_OUT從2.5V開始，因為電池中有電荷）。隨著EH_ON變高，PGVOUT變低，因為新的3.6V V_OUT值還未達到。隨著V_IN上的電荷傳送到V_OUT，VIN放電，當V_IN達到其UVLO_FALLING門限時，EH_ON變低，從而使目標V_OUT再次為2.5V。

考慮到輸出電容器非常大，同時平均負載低于Midé壓電換能器提供的輸入功率，所以輸出電壓要經過很多個周期才能上升到3.6V的較高設定點。在從2.5V BAT設定點轉變到3.6V能量收集器設定點時，V_OUT高于2.5V PGVOUT門限，因此每次EH_ON變低時，PGVOUT都變高。這個周期一直重復，直至V_OUT達到針對3.6V V_OUT設定點的PGVOUT門限為止。圖5顯示，當振動源去掉時，V_OUT就放電，同時V_IN降至低于UVLO_FALLING門限，導致EH_ON變低。V_OUT上的超級電容器將一直放電至新的2.5V目標電壓，在這個點上，降壓一升壓型穩壓器將接通，給Dust節點供電。V_OUT上的超級電容器通過放電，在振動源短時間不可用時提供能源，從而延長了電池壽命。