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MidéV25W压电换能器和连接至BAT引脚的主电池，为用振动源给DustNetworks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。

　　关键词：传感器；控制器；DC/DC转换器；电源管理

　　DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.017

　　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。

　　Jim Drew 凌力尔特公司