陳建明， 王亭嶺

(華北水力水電學(xué)院，鄭州 450011)

0 引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)正在逐漸成為一個(gè)非常重要的技術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)有低功率無(wú)線(xiàn)傳感器平臺(tái)進(jìn)入市場(chǎng)。這些平臺(tái)的設(shè)計(jì)大都使用電池，突出的問(wèn)題是電池壽命非常有限。因此，有必要研究潛在的“環(huán)境”動(dòng)力源［1-2］。在使用太陽(yáng)能電池、溫差發(fā)電等供電時(shí)，常遇到電壓低于1 V，甚至低于0.5 V的情況，此時(shí)，往往采用升壓式充電泵或升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器［3］。傳統(tǒng)的充電泵的最低輸入電壓在0.9～1.0 V之間，升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器的最低輸入電壓為1.0 V 左右(啟動(dòng)電壓為0.6～0.7 V)。如果輸入電壓降到0.6 V以下，則傳統(tǒng)的充電泵或DC/DC轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的電路(如振蕩器、誤差放大器、邏輯控制電路、電子開(kāi)關(guān)等)不能正常工作，用傳統(tǒng)的升壓器件無(wú)法解決0.6 V以下的輸入電壓達(dá)到升壓的目的。制約超低電壓升壓的難題主要是最大占空比、開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)和升壓IC的啟動(dòng)。

1 開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)

以圖1為例，若開(kāi)關(guān)電源(DC/DC)的驅(qū)動(dòng)電壓取自輸入電源的話(huà)，當(dāng)電源電壓低于DC/DC的工作電壓的時(shí)候，DC/DC便無(wú)法啟動(dòng)。那么，在輸出端取電又如何呢?見(jiàn)圖2。

圖1 驅(qū)動(dòng)電壓取自輸入電源Fig.1 Driving voltage takes from the input supply

圖2 驅(qū)動(dòng)電壓取自輸出電壓Fig.2 Driving voltage takes from the output voltage

同樣，當(dāng)電源電壓低于DC/DC驅(qū)動(dòng)電壓，DC/DC根本無(wú)法啟動(dòng)及進(jìn)行任何升壓動(dòng)作［4］。但是，若DC/DC一旦被啟動(dòng)，整個(gè)電路便可持續(xù)動(dòng)作了。

2 升壓電路的啟動(dòng)

如上所述，在這樣低輸入電壓的情況下如何啟動(dòng)DC/DC呢?這時(shí)，就需考慮增加一個(gè)啟動(dòng)電路，如圖3所示。

圖3 增加啟動(dòng)IC的升壓電路Fig.3 Step-up circuit with start IC

精工電子有限公司(SII)推出了用0.3～0.35 V超低電壓升壓的方案，給微弱電壓電源的應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了良好的條件［5］。使用S-882Z系列可以將輸入工作電壓VIN的范圍擴(kuò)展到0.3 V，并對(duì)于輸入電壓在0.9 V以上(包括0.9 V)，但需較大輸出電流情況下激活的升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)升壓，均可用S-882Z來(lái)啟動(dòng)升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器。所以，對(duì)于太陽(yáng)能電池，燃料電池等超低電壓的應(yīng)用而言，其無(wú)疑是一個(gè)具有實(shí)際意義的方案。圖4為S-882Z的工作原理圖。

圖4 S-882Z的工作原理Fig.4 S-882Z working principle

對(duì)S-882Z的④端子輸入0.3 V以上的電壓時(shí)，振蕩電路就可以開(kāi)始工作，并從振蕩電路輸出CLK信號(hào);通過(guò)此CLK信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)充電泵電路，并在充電泵電路中將④端子的電壓轉(zhuǎn)換為升壓電壓;從充電泵電路輸出的升壓電壓，會(huì)緩慢地充電到與⑤端子相連接的啟動(dòng)用電容器(CCPOUT)中，因此，⑤端子的電壓會(huì)緩慢地上升;當(dāng)⑤端子電壓(VCPOUT)達(dá)到放電開(kāi)始電壓(VCPOUT1)以上時(shí)，轉(zhuǎn)換器(COMP1)的輸出信號(hào)就會(huì)從高電位轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢?，因此，處于“關(guān)”的狀態(tài)的放電控制開(kāi)關(guān)(M1)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴_(kāi)”的狀態(tài);M1變?yōu)椤伴_(kāi)”的狀態(tài)之后，CCPOUT處所充電的升壓電力會(huì)從OUT端子處開(kāi)始放電;由于放電，當(dāng)VCPOUT降低到放電停止電壓(VCPOUT2)時(shí)，M1就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椤瓣P(guān)”的狀態(tài)而停止放電;當(dāng)③端子電壓(VVM)達(dá)到開(kāi)/關(guān)控制電壓(VOFF)以上時(shí)，轉(zhuǎn)換器(COMP2)的輸出信號(hào)(EN-)就會(huì)從低電位轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娢?，因此，振蕩電路?huì)停止工作，并轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝郀顟B(tài);當(dāng)VVM不能達(dá)到VOFF以上時(shí)，會(huì)利用來(lái)自充電泵電路的升壓電力來(lái)對(duì)CCPOUT進(jìn)行再充電(在此之前CCPOUT必須已放電到VCPOUT小于VCPOUT2，即M1處于“關(guān)”狀態(tài))。

③端子(VM端)是升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓監(jiān)視端子。所監(jiān)視的輸出電壓開(kāi)始上升，當(dāng)③端子電壓(VVM)達(dá)到開(kāi)/關(guān)控制電壓(VOFF)以上時(shí)，S-882Z會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝郀顟B(tài)。轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝郀顟B(tài)后，由于內(nèi)部的振蕩電路停止工作，因此充電泵也會(huì)相應(yīng)地停止工作，而大幅度抑制消耗電流，圖5和表1為VM端子的構(gòu)造與工作狀態(tài)。在不使用VM端子的情況下，必須使之與②端子(VSS)相連接，若VM端子處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)生誤工作。

圖5 VM端子的構(gòu)造Fig.5 VM terminal structure

表1 工作狀態(tài)Table 1 The working condition

S-882Z系列主要應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、燃料電池等低壓電源的升壓;RF標(biāo)簽內(nèi)部的電壓升壓(如用于高速公路收費(fèi)系統(tǒng))，為間斷工作系統(tǒng)提供電源。

3 最大占空比(MaxDuty)的問(wèn)題

對(duì)于超低輸入升壓電路來(lái)說(shuō)，為了取得高的輸出電壓，必須要有大占空比的支持。占空比(Duty)的計(jì)算公式是［6］:

在連續(xù)電流模式下，Duty的計(jì)算公式為

按照式(2)來(lái)計(jì)算，如果是輸入0.5 V，而輸出5 V的升壓電路，最大占空比為90%，一般的升壓電路的占空比為80% ～90%，這樣是不能完全滿(mǎn)足要求的［7］。

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，可以考慮采用SII的高倍率升壓DC/DC S-8337B［8-9］，其最大占空比就能達(dá)到94%。S-8337B的主要特點(diǎn):輸入電壓為1.8～6.0 V;基準(zhǔn)電壓為1.0 ±1.5%;工作電流為 0.5 mA(max);振蕩頻率為47～200 kHz，能在外部設(shè)定;最大占空比為75% ～94%，也可以外部設(shè)定;低電壓誤工作防止功能(UVLO)，軟啟動(dòng)，外部相位補(bǔ)償設(shè)定;動(dòng)作溫度范圍為-40～+85℃;采用TSSOP8封裝。

S-8337B的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 S-8337B結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of S-8337B

4 完整的設(shè)計(jì)方案

一個(gè)超低電壓電源管理系統(tǒng)需要啟動(dòng)電路和升壓電路的完美配合［10］，用S-882Z系列配合S-8337B系列就能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。圖7為利用SII的S-882Z24和S-8337BAJA構(gòu)成的超低輸入電壓升壓電路。

圖7 超低輸入電壓升壓電路Fig.7 Ultra-low input voltage boost circuit

圖8 輸出電壓、效率曲線(xiàn)Fig.8 Curve of output voltage and efficiency

該電源電路在輸入電壓為0.35 V(CCPOUT=10μF)時(shí)，升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間為7 s，輸入電壓為0.70 V(CCPOUT=10μF)時(shí)，升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間為0.6 s，見(jiàn)圖9。啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短可以通過(guò)CCPOUT的大小來(lái)調(diào)節(jié)，調(diào)整CCPOUT時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作電壓以及后面的負(fù)載大小等因素。

圖9 啟動(dòng)延時(shí)曲線(xiàn)Fig.9 Start delay curve

5 結(jié)束語(yǔ)

本電源電路的設(shè)計(jì)已調(diào)試完成，能量由半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊提供(VIN=0.4～1.7 V)，負(fù)載為由CC2430片上系統(tǒng)和DS18B20溫度傳感器組成的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)(VOUT=5 V)，在變電站設(shè)備接地狀態(tài)、外部熱缺陷監(jiān)控系統(tǒng)中成功應(yīng)用，0.6～7 s的時(shí)間延遲完全能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫監(jiān)控的要求。

［1］ROUNDY S，STEINGART D，F(xiàn)RECHETTE L，et al.Power sources for wireless sensor networks［J］.Wireless Sensor Networks，Berlin，DE，2004:1-17.

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［6］周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)華.模塊化DC/DC實(shí)用電路［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［7］盧建華，吳光彬，趙國(guó)榮.一種脈沖調(diào)寬式電壓調(diào)節(jié)器的研制［J］.電光與控制，2003，10(3):64-66.

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