从压电换能器为Dust Networks节点供电

摘要：SmartMesh传感器和控制器常常部署在无法便利地提供电力连接的地方。本文介绍了毫微功率降压-升压型DC/DC转换器LTC3330。实验表明，LTC3330采用Midé V25W压电换能器和连接至BAT引脚的主电池，为用振动源给 Dust Networks节点供电提供了一个完整解决方案。V25W压电换能器用一个振动源支持输出功率需求，因此延长了电池寿命。在此基础上再给VOUT连接一个超级电容器后，LTC3330还可以进一步延长电池寿命，从而减少了要求更换电池的维护需求。

提高对制造厂、发电厂、提炼厂等工业环境的远程监视和控制的水平，有助于工艺工程师和经理全面了解系统或工厂的健康情况，最终有助于改善决策。扩大监视和控制范围的最简便方法是采用 Dust Networks SmartMesh 无线传感器网络，该网络易于安装在偏远环境中。SmartMesh 传感器和控制器常常部署在无法便利地提供电力连接的地方。由于这个原因，采用能量收集技术为这类传感器供电很有吸引力。

LTC3330 是一款毫微功率降压-升压型 DC/DC 转换器，采用了能量收集电池寿命延长技术，可连接到压电换能器上提供能量，为 Dust Networks 节点供电。LTC3330 集成了一个高压降压型能量收集电源和一个降压-升压型 DC/DC 转换器，该转换器由主电池供电，产生一个输出始终接通的电源，为安装在偏远地点的 Dust 节点供电。

当振动能量可用时，LTC3330 用振动能量而不是电池作为电源。当振动能量短期不可用时，LTC3330 对超级电容器进行充电和平衡，超级电容器在需要时可接通以支持负载。LTC3330 的能量收集和超级电容器充电 / 平衡电路相结合，可使主电池寿命延长数个量级，从而显著减少了要求更换电池的维护需求 (乘以所安装的传感器 / 控制器数量，就是节省的总费用)。

1 连接 LTC3330 与 Dust 节点

图1显示，LTC3330 连接了一个输出超级电容器、一个 Dust 节点、一个安装的电池和 EH_ON 连接至 OUT2。在这一配置中，当 EH_ON 为低时，VOUT 设定为 2.5V，当 EH_ON 为高时，VOUT 设定为 3.6V。一个 Midé V25W 压电换能器以机械方式连接至一个振动源，其电气连接点连至 LTC3330 的 AC1 和 AC2 引脚。该振动源在 60Hz 加速度时产生 1gRMS 的力，这产生 10.6VPEAK 的开路电压。图 2 显示，V25W 压电换能器给输入电容器再充电。该输入电容器在 208ms 时间内从 4.48V 充电至 5.92V。V25W 提供的功率为 648μW。

在所加电压为 5.0V 时，22μF 电容器仅为 18μF，因此每个 VIN_UVLO_RISING 和 FALLING 事件都产生 26μC 电荷，再减去效率为 90% 的 LTC3330 降压型稳压器消耗的电量，就得到传送给输出的电荷量。图 3 显示，输出超级电容器用 Midé V25W 换能器充电至 3.6V。输出超级电容器充电至 3.6V 大约需要 3300 秒时间。

在图1中，当 EH_ON 为低时，VOUT 设定值为 2.5V，当 EH_ON 为高时，VOUT 设定值为 3.6V。图 4 中的第一个标记指示振动源激活点;VIN 上升至高于 VIN_UVLO_RISING 门限。EH_ON 变高，导致 VOUT 向着 3.6V 上升 (VOUT 从 2.5V 开始，因为电池中有电荷)。随着 EH_ON 变高，PGVOUT 变低，因为新的 3.6V VOUT 值还未达到。随着 VIN 上的电荷传送到 VOUT，VIN 放电，当 VIN 达到其 UVLO_FALLING 门限时，EH_ON 变低，从而使目标 VOUT 再次为 2.5V。

考虑到输出电容器非常大，同时平均负载低于 Midé 压电换能器提供的输入功率，所以输出电压要经过很多个周期才能上升到 3.6V 的较高设定点。在从 2.5V BAT 设定点转变到 3.6V 能量收集器设定点时，VOUT 高于 2.5V PGVOUT 门限，因此每次 EH_ON 变低时，PGVOUT 都变高。这个周期一直重复，直至 VOUT 达到针对 3.6V VOUT 设定点的 PGVOUT 门限为止。图5显示，当振动源去掉时，VOUT 就放电，同时 VIN 降至低于 UVLO_FALLING 门限，导致 EH_ON 变低。VOUT 上的超级电容器将一直放电至新的 2.5V 目标电压，在这个点上，降压-升压型稳压器将接通，给 Dust 节点供电。VOUT 上的超级电容器通过放电，在振动源短时间不可用时提供能源，从而延长了电池寿命。

本文来源于中国科技核心期刊《电子产品世界》2016年第1期第64页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。