從壓電換能器為Dust Networks節(jié)點(diǎn)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-升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器LTC3330。實(shí)驗(yàn)表明，LTC3330采用Midé V25W壓電換能器和連接至BAT引腳的主電池，為用振動(dòng)源給 Dust Networks節(jié)點(diǎn)供電提供了一個(gè)完整解決方案。V25W壓電換能器用一個(gè)振動(dòng)源支持輸出功率需求，因此延長(zhǎng)了電池壽命。在此基礎(chǔ)上再給VOUT連接一個(gè)超級(jí)電容器后，LTC3330還可以進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命，從而減少了要求更換電池的維護(hù)需求。

　　提高對(duì)制造廠、發(fā)電廠、提煉廠等工業(yè)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的水平，有助于工藝工程師和經(jīng)理全面了解系統(tǒng)或工廠的健康情況，最終有助于改善決策。擴(kuò)大監(jiān)視和控制范圍的最簡(jiǎn)便方法是采用 Dust Networks? SmartMesh? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)易于安裝在偏遠(yuǎn)環(huán)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(gè)原因，采用能量收集技術(shù)為這類傳感器供電很有吸引力。

　　LTC3330 是一款毫微功率降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，采用了能量收集電池壽命延長(zhǎng)技術(shù)，可連接到壓電換能器上提供能量，為 Dust Networks 節(jié)點(diǎn)供電。LTC3330 集成了一個(gè)高壓降壓型能量收集電源和一個(gè)降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器由主電池供電，產(chǎn)生一個(gè)輸出始終接通的電源，為安裝在偏遠(yuǎn)地點(diǎn)的 Dust 節(jié)點(diǎn)供電。

　　當(dāng)振動(dòng)能量可用時(shí)，LTC3330 用振動(dòng)能量而不是電池作為電源。當(dāng)振動(dòng)能量短期不可用時(shí)，LTC3330 對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電和平衡，超級(jí)電容器在需要時(shí)可接通以支持負(fù)載。LTC3330 的能量收集和超級(jí)電容器充電 / 平衡電路相結(jié)合，可使主電池壽命延長(zhǎng)數(shù)個(gè)量級(jí)，從而顯著減少了要求更換電池的維護(hù)需求 (乘以所安裝的傳感器 / 控制器數(shù)量，就是節(jié)省的總費(fèi)用)。

1 連接 LTC3330 與 Dust 節(jié)點(diǎn)

　　圖1顯示，LTC3330 連接了一個(gè)輸出超級(jí)電容器、一個(gè) Dust 節(jié)點(diǎn)、一個(gè)安裝的電池和 EH_ON 連接至 OUT2。在這一配置中，當(dāng) EH_ON 為低時(shí)，VOUT 設(shè)定為 2.5V，當(dāng) EH_ON 為高時(shí)，VOUT 設(shè)定為 3.6V。一個(gè) Midé V25W 壓電換能器以機(jī)械方式連接至一個(gè)振動(dòng)源，其電氣連接點(diǎn)連至 LTC3330 的 AC1 和 AC2 引腳。該振動(dòng)源在 60Hz 加速度時(shí)產(chǎn)生 1gRMS 的力，這產(chǎn)生 10.6VPEAK 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(shí)間內(nèi)從 4.48V 充電至 5.92V。V25W 提供的功率為 648μW。

　　在所加電壓為 5.0V 時(shí)，22μF 電容器僅為 18μF，因此每個(gè) VIN_UVLO_RISING 和 FALLING 事件都產(chǎn)生 26μC 電荷，再減去效率為 90% 的 LTC3330 降壓型穩(wěn)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(jí)電容器用 Midé V25W 換能器充電至 3.6V。輸出超級(jí)電容器充電至 3.6V 大約需要 3300 秒時(shí)間。

　　在圖1中，當(dāng) EH_ON 為低時(shí)，VOUT 設(shè)定值為 2.5V，當(dāng) EH_ON 為高時(shí)，VOUT 設(shè)定值為 3.6V。圖 4 中的第一個(gè)標(biāo)記指示振動(dòng)源激活點(diǎn);VIN 上升至高于 VIN_UVLO_RISING 門限。EH_ON 變高，導(dǎo)致 VOUT 向著 3.6V 上升 (VOUT 從 2.5V 開始，因?yàn)殡姵刂杏须姾?。隨著 EH_ON 變高，PGVOUT 變低，因?yàn)樾碌?3.6V VOUT 值還未達(dá)到。隨著 VIN 上的電荷傳送到 VOUT，VIN 放電，當(dāng) VIN 達(dá)到其 UVLO_FALLING 門限時(shí)，EH_ON 變低，從而使目標(biāo) VOUT 再次為 2.5V。

　　考慮到輸出電容器非常大，同時(shí)平均負(fù)載低于 Midé 壓電換能器提供的輸入功率，所以輸出電壓要經(jīng)過很多個(gè)周期才能上升到 3.6V 的較高設(shè)定點(diǎn)。在從 2.5V BAT 設(shè)定點(diǎn)轉(zhuǎn)變到 3.6V 能量收集器設(shè)定點(diǎn)時(shí)，VOUT 高于 2.5V PGVOUT 門限，因此每次 EH_ON 變低時(shí)，PGVOUT 都變高。這個(gè)周期一直重復(fù)，直至 VOUT 達(dá)到針對(duì) 3.6V VOUT 設(shè)定點(diǎn)的 PGVOUT 門限為止。圖5顯示，當(dāng)振動(dòng)源去掉時(shí)，VOUT 就放電，同時(shí) VIN 降至低于 UVLO_FALLING 門限，導(dǎo)致 EH_ON 變低。VOUT 上的超級(jí)電容器將一直放電至新的 2.5V 目標(biāo)電壓，在這個(gè)點(diǎn)上，降壓-升壓型穩(wěn)壓器將接通，給 Dust 節(jié)點(diǎn)供電。VOUT 上的超級(jí)電容器通過放電，在振動(dòng)源短時(shí)間不可用時(shí)提供能源，從而延長(zhǎng)了電池壽命。

本文來源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第1期第64頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。