陳建明， 王亭嶺

(華北水力水電學院，鄭州 450011)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡正在逐漸成為一個非常重要的技術領域，已經(jīng)有低功率無線傳感器平臺進入市場。這些平臺的設計大都使用電池，突出的問題是電池壽命非常有限。因此，有必要研究潛在的“環(huán)境”動力源［1-2］。在使用太陽能電池、溫差發(fā)電等供電時，常遇到電壓低于1 V，甚至低于0.5 V的情況，此時，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、電子開關等)不能正常工作，用傳統(tǒng)的升壓器件無法解決0.6 V以下的輸入電壓達到升壓的目的。制約超低電壓升壓的難題主要是最大占空比、開關器件的驅(qū)動和升壓IC的啟動。

1 開關器件的驅(qū)動

以圖1為例，若開關電源(DC/DC)的驅(qū)動電壓取自輸入電源的話，當電源電壓低于DC/DC的工作電壓的時候，DC/DC便無法啟動。那么，在輸出端取電又如何呢?見圖2。

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

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

同樣，當電源電壓低于DC/DC驅(qū)動電壓，DC/DC根本無法啟動及進行任何升壓動作［4］。但是，若DC/DC一旦被啟動，整個電路便可持續(xù)動作了。

2 升壓電路的啟動

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

圖3 增加啟動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用開創(chuàng)了良好的條件［5］。使用S-882Z系列可以將輸入工作電壓VIN的范圍擴展到0.3 V，并對于輸入電壓在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)換器來升壓，均可用S-882Z來啟動升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器。所以，對于太陽能電池，燃料電池等超低電壓的應用而言，其無疑是一個具有實際意義的方案。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S-882Z的④端子輸入0.3 V以上的電壓時，振蕩電路就可以開始工作，并從振蕩電路輸出CLK信號;通過此CLK信號來驅(qū)動充電泵電路，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，會緩慢地充電到與⑤端子相連接的啟動用電容器(CCPOUT)中，因此，⑤端子的電壓會緩慢地上升;當⑤端子電壓(VCPOUT)達到放電開始電壓(VCPOUT1)以上時，轉(zhuǎn)換器(COMP1)的輸出信號就會從高電位轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢?，因此，處于“關”的狀態(tài)的放電控制開關(M1)會轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴_”的狀態(tài);M1變?yōu)椤伴_”的狀態(tài)之后，CCPOUT處所充電的升壓電力會從OUT端子處開始放電;由于放電，當VCPOUT降低到放電停止電壓(VCPOUT2)時，M1就會轉(zhuǎn)變?yōu)椤瓣P”的狀態(tài)而停止放電;當③端子電壓(VVM)達到開/關控制電壓(VOFF)以上時，轉(zhuǎn)換器(COMP2)的輸出信號(EN-)就會從低電位轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娢唬虼?，振蕩電路會停止工作，并轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝郀顟B(tài);當VVM不能達到VOFF以上時，會利用來自充電泵電路的升壓電力來對CCPOUT進行再充電(在此之前CCPOUT必須已放電到VCPOUT小于VCPOUT2，即M1處于“關”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)視的輸出電壓開始上升，當③端子電壓(VVM)達到開/關控制電壓(VOFF)以上時，S-882Z會轉(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，因此充電泵也會相應地停止工作，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端子處于開路狀態(tài)時，會導致發(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系列主要應用于太陽能電池、燃料電池等低壓電源的升壓;RF標簽內(nèi)部的電壓升壓(如用于高速公路收費系統(tǒng))，為間斷工作系統(tǒng)提供電源。

3 最大占空比(MaxDuty)的問題

對于超低輸入升壓電路來說，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)的計算公式是［6］:

在連續(xù)電流模式下，Duty的計算公式為

按照式(2)來計算，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%，這樣是不能完全滿足要求的［7］。

對于這個問題，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到94%。S-8337B的主要特點:輸入電壓為1.8～6.0 V;基準電壓為1.0 ±1.5%;工作電流為 0.5 mA(max);振蕩頻率為47～200 kHz，能在外部設定;最大占空比為75% ～94%，也可以外部設定;低電壓誤工作防止功能(UVLO)，軟啟動，外部相位補償設定;動作溫度范圍為-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 完整的設計方案

一個超低電壓電源管理系統(tǒng)需要啟動電路和升壓電路的完美配合［10］，用S-882Z系列配合S-8337B系列就能達到這個目標。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，升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的啟動延時時間為7 s，輸入電壓為0.70 V(CCPOUT=10μF)時，升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的啟動延時時間為0.6 s，見圖9。啟動延時時間的長短可以通過CCPOUT的大小來調(diào)節(jié)，調(diào)整CCPOUT時應同時考慮DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作電壓以及后面的負載大小等因素。

圖9 啟動延時曲線Fig.9 Start delay curve

5 結(jié)束語

本電源電路的設計已調(diào)試完成，能量由半導體溫差發(fā)電模塊提供(VIN=0.4～1.7 V)，負載為由CC2430片上系統(tǒng)和DS18B20溫度傳感器組成的測溫節(jié)點(VOUT=5 V)，在變電站設備接地狀態(tài)、外部熱缺陷監(jiān)控系統(tǒng)中成功應用，0.6～7 s的時間延遲完全能滿足現(xiàn)場測溫監(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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［3］COPE R C，PODRAZHANSKY Y.The art of battery charging［C］//Annual Battery Conference on Applications and Advances，1999:233-235.

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