精確的無線溫度傳感器可為自身供電

引言

“物聯(lián)網(wǎng)”說的是一種日益明顯的趨勢，不僅連接人與電腦，而且將各種“東西”連接到互聯(lián)網(wǎng)。在工廠或大型基礎設施項目等應用中，在更多地點連接更多傳感器 (傳動器) 可以提高效率、改善安全性以及實現(xiàn)全新的商業(yè)模式。

現(xiàn)在不必面對在工廠內(nèi)部布設電纜帶來的挑戰(zhàn)和高成本問題了，因為可以安裝可靠的、工業(yè)級強度的無線傳感器，這些傳感器可以靠小型電池工作很多年，或者依靠從光、振動或溫度變化等可用來源收集的能量工作。

凌力爾特提供設計高性能、可靠、低功率無線傳感器網(wǎng)絡所需的所有元件。本文所述案例是一個真實的設計，該設計整合了一個高分辨率溫度傳感器、一個電源管理電路和一個低功耗無線電模塊，其中電源管理電路用太陽能 (可用時) 和備份電池 (需要時) 供電，而無線電模塊則自動地構(gòu)成一個可靠的網(wǎng)格網(wǎng)絡，以無線方式將所有傳感器連接到一個中央接入點。

設計概述

圖 1 顯示了該設計的方框圖。溫度傳感器基于一個熱敏電阻器，該熱敏電阻器由低噪聲 LT6654 電壓基準偏置。24 位ΔΣ ADC LTC2484 讀取熱敏電阻器的電壓，并通過 SPI 接口報告讀取的結(jié)果。LTP5901 是無線電模塊，不僅含有無線電單元，還含有自動構(gòu)成 IP 網(wǎng)格網(wǎng)絡所需的連網(wǎng)固件。此外，LTP5901 還有一個內(nèi)置的微處理器，該微處理器讀取 LTC2484 ADC SPI 端口，并管理面向信號鏈路組件的電源排序。LTC3330 是一款低功率、開關(guān)模式雙輸出電源，當可得到足夠的光照時，LTC3330 靠太陽能電池板供電，當光照不足但需要保持輸出電壓穩(wěn)定時，LTC3330 用電池供電。LTC3330 還含有一個 LDO，用來設定溫度傳感器供電電源的占空比。

圖 1：通過將無線電模塊連至 ADC、基準和熱敏電阻器以構(gòu)成無線溫度傳感器。該電路由一個可從電池或太陽能電池板獲取電能的能量收集器供電。

信號鏈路

這個設計用一個熱敏電阻器測量溫度。熱敏電阻是非常適合在溫度遠遠超出人們感興趣的典型環(huán)境溫度范圍中讀取溫度值。熱敏電阻器指的是具備很大負溫度系數(shù)的電阻器。例如，器件型號為 KS502J2 (按照 US Sensor 公司的規(guī)定) 的熱敏電阻，在 25°C 時阻值為 5kΩ，在 -30°C 至 +70°C 溫度范圍內(nèi)，電阻值從 88kΩ 變化到 875Ω。

該熱敏電阻器與兩個準確的 49.9kΩ 電阻串聯(lián)，并由精確的電壓基準 LT6654 偏置 (圖 2)。LTC2484 ΔΣ ADC 以 24 位分辨率測量電阻分壓器的分壓比。該 ADC 的總體未調(diào)整誤差為 15ppm，對于本文應用所用的熱敏電阻器斜率而言，這對應于少于 0.05°C 的溫度不確定性。這個熱敏電阻器規(guī)定的溫度準確度為 0.1°C，因此無需任何校準，所測量的溫度就能達到這樣的準確度。

圖 2：采用 LTC2484 24 位 ADC 讀取熱敏電阻的電壓。因為輸入共模電壓是置中，所以 Easy Drive ADC 不吸取輸入電流，從而很容易準確獲得成比例的讀數(shù)。

該 ADC 的噪聲低于 4μVp-p，這對應不到 0.005°C 的溫度變化。因此，通過校準，這個系統(tǒng)可以用來以極其精細的分辨率測量溫度。既然 ADC 測量熱敏電阻電壓與基準電壓值之比，所以嚴格說來，基準電壓無需準確。但是它必須是低噪聲的，因為在 ADC 轉(zhuǎn)換時，基準電壓變化可能引起誤差。

LTC2484 ADC 采用了 Easy Drive? 輸入結(jié)構(gòu)。這意味著在轉(zhuǎn)換時的凈差分采樣電流接近為零。因此，流經(jīng)阻性熱敏電阻器網(wǎng)絡的輸入采樣電流不引起任何測量誤差，這意味著，無需單獨的運算放大器緩沖器。旁路電容器在高頻時提供一條低阻抗通路。在很多情況下，不需要不斷測量溫度，而是每秒測量一次甚至每分鐘只測量一次。在系統(tǒng)未測量溫度時，節(jié)省功耗是有意義的。如下所述，這個應用電路正是這么做的。

電阻器網(wǎng)絡從 2.5V 基準吸取最大 25μA 電流。為了避免測量之間的功率損耗，將基準電源的工作周期調(diào)整為僅在測量期間導通。ADC 輸入的 RC 時間常數(shù)大約為 5ms。通過在進行測量之前 80ms接通電源，可確保 ADC 輸入完全穩(wěn)定。實際上，既然兩個輸入節(jié)點以相同的斜率接通，所以遠遠不用理論的穩(wěn)定時間那么久，讀數(shù)就已準確。LT6654 由 LTC3330 的 3V LDO 輸出供電。在讀取溫度讀數(shù)之前和之后的恰當時間，LTP5901 微處理器驅(qū)動 LTC3330 中 LDO 的使能引腳至高電平和低電平。在未進行轉(zhuǎn)換時，LTC2484 自動進入休眠模式。與無線電已經(jīng)很低的功率相比，1μA 的睡眠電流更低。因此，不必設定至 ADC 供電電源的占空比。通過保持 ADC 的電源電壓始終與 LTP5901 相同，可確保 SPI 接口上的邏輯電平始終保持不變，這有助于實現(xiàn)簡單的設計。

通過 SPI 端口提供轉(zhuǎn)換結(jié)果以后，LTC2484 自動地開始進行新的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲到其內(nèi)部寄存器中，直到用戶再次要求讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。在需要非常頻繁地讀取溫度值的系統(tǒng)中，這種工作方式是非常便利。但是，有些超低功率應用可能在兩次讀數(shù)之間等待很長時間。為了確保提供給用戶的溫度數(shù)據(jù)始終是“新鮮”的讀數(shù)，這類應用首先切換 CSb 和 SCK 引腳，以將“陳舊的”溫度讀數(shù)從 ADC 寄存器中移出，然后自動地開始進行新的溫度轉(zhuǎn)換。微處理器一直等待到轉(zhuǎn)換結(jié)束為止，然后通過 SPI 端口讀取結(jié)果。即使新的溫度讀取過程會再次自動開始，但是系統(tǒng)接下來會關(guān)閉熱敏電阻器網(wǎng)絡 (通過關(guān)閉 LDO)，因為這些額外的溫度讀數(shù)隨后將被忽略。

該溫度傳感器電路的總功耗可以按如下方法估計。首先，求基準 (350uA)、熱敏電阻器網(wǎng)絡 (25μA) 和 ADC (轉(zhuǎn)換時為 160μA) 的電流之和，所得總電流為 535μA (參見表 1)。然后，考慮這一電流持續(xù)多長時間。ADC 每次轉(zhuǎn)換大約耗時 140ms，在每次轉(zhuǎn)換之前，等待 80ms，以讓基準和熱敏電阻器穩(wěn)定。再加上一些 SPI 讀數(shù)所需時間，這樣接通時間大約為 300ms。在 300ms時間內(nèi)消耗 535μA 電流，相應于 160μC 的電荷量。我們應該在這個電荷量之上，再加上給 4.7μF 電源旁路電容器充電至電壓基準所需的電荷量，因為每次讀數(shù)時這個節(jié)點都從 0V 充電至 3V。加上這個 14μC 的電荷量，每次讀取溫度數(shù)據(jù)時所需的總電荷量為 174μC。如果每隔 10 秒讀取一次溫度數(shù)據(jù)，那么就可計算出，平均電流消耗為 17μA。其他平均電源電流的例子在表 2 中給出。

表 1：信號鏈路電流消耗 (工作時)

表 2：基于溫度讀取頻率進行電源管理的信號鏈路的平均電流消耗

LTC3330 管理這個應用的所有電源。該芯片含有兩個開關(guān)模式電源和一個線性穩(wěn)壓器，采用小型單片封裝。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器可從電池取得功率，以保持穩(wěn)定的輸出電壓 (對這個應用而言設定為 3.6V)。一個單獨的降壓型轉(zhuǎn)換器可從太陽能電池板取得功率，也將輸出電壓調(diào)節(jié)至相同的值。一個內(nèi)部優(yōu)先級區(qū)分器確保盡可能使用太陽能電源，僅當需要時才會從電池吸取功率 (圖 3)。對于其他應用，LTC3330 還支持 AC 能量收集電源，例如產(chǎn)生與振動能量成比例的 AC 電壓之壓電晶體 (參見圖 4)。

圖 3：LTC3330 從太陽能電池板或電池取得功率，自動地設定這兩種電源的優(yōu)先級，以保持穩(wěn)定輸出電壓。一個額外的 LDO 輸出由邏輯輸入引腳控制，這用來設定溫度傳感器電源的占空比。LTC3330 產(chǎn)生一個輸出標記，以指示正在使用的是太陽能電源還是電池電源。

圖 4：LTC3330 能量收集型 DC/DC 電池壽命延長器從壓電、太陽能或磁性能源收集能量。

LTC3330 吸取不到 1μA 靜態(tài)電流，非常適合這種低功耗無線應用。電源功耗僅占總功耗的一小部分，所以大部分功率可用于“負載” (即溫度傳感器和無線網(wǎng)絡)。

除了這兩個開關(guān)模式電源，LTC3330 還含有一個具備單獨使能引腳的 LDO。這功能對于這類占空比的應用是很有用。電壓基準和熱敏電阻器網(wǎng)絡用該 LDO 供電。這不僅降低了開關(guān)噪聲，還允許應用切換信號鏈電源接通和關(guān)斷，同時保持無線電模塊的電源始終接通。即使無線電模塊在兩次傳輸之間不消耗太多功率，但是它必須始終保持偏置，以保持定時器正確運行，這樣整個網(wǎng)絡就能保持時間同步了。無線電模塊內(nèi)的微處理器在恰當?shù)臅r間給 LDO 使能引腳排序，使信號鏈路為讀取溫度數(shù)據(jù)做好準備。LTC3330 提供一個輸出標記 (EH_ON)，該標記說明系統(tǒng)是在由電池還是太陽能電池板供電。能夠?qū)崟r訪問這一信息對最終用戶來說可能很重要。因此，我們讓無線電模塊中的微處理器讀取這一輸出標記，并通過網(wǎng)絡與溫度數(shù)據(jù)一起傳送這一信息。EH_ON 輸出的邏輯電平是對于 LTC3330 的一個內(nèi)部偏置電壓，該偏置電壓隨工作模式不同而改變，可能高于 4V。我們不是將這個輸出引腳直接連接到電壓較低的無線電模塊邏輯輸入，而是對其進行分壓，然后將其饋送給一個內(nèi)置的 10 位 ADC，該 ADC 是微處理器的組成部分。在本文情況下，我們僅將這個 ADC 作為比較器使用，以指示 LTC3330 正在使用哪個電源。

無線網(wǎng)絡

LTP5901 是一個完整的無線電模塊，含有無線電收發(fā)器、嵌入式微處理器和網(wǎng)絡軟件。其物理設計由一塊小型印刷電路板組成，可非常容易地焊接到包含該應用其余部分 (信號鏈路和電源管理) 之