如何在无线传感器节点中使用升压转换器

我之前讨论了无线传感器节点中长电池寿命的重要性以及特定的占空比实现。在这篇文章中，我将详细介绍这些无线传感器节点的一些电源拓扑注意事项。

在某些无线传感器节点中，我们必须为各种集成电路提供良好调节的工作电压。也许高精度模拟传感组件需要不漂移的电压，或者传感器节点中的组件需要比电池所能提供的电压更高的电压。此外，随着电池寿命接近尾声时电压下降，该电池的可用范围会缩短。添加一个设计良好的升压转换器可以为实现无线传感器节点的长电池寿命提供缺失的环节。

在占空比无线传感器节点中，几乎整个传感器节点在关闭状态期间完全断电。为了获得最佳电池寿命，这将包括任何电源管理。当转换到开启状态时，升压转换器开始正常运行，为模拟感应电路以及低于 1GHz 的无线微控制器(MCU) 提供经过良好调节的电压轨。如果升压转换器的效率在通态电流下非常高，那么由 DC/DC 转换器的效率损失引起的电池寿命缩短将是最小的。增加一个升压转换器也将增加电池的可用电压范围。我们无需在电池寿命和良好调节的电压轨之间做出妥协。

适用于湿度和温度传感器节点的 TI Designs 参考设计 ( TIDA-00484 ) 演示了一种优化方法，可为占空比传感器节点中的模拟传感和无线 MCU 提供良好调节的 3.3V 电压轨。图 1 是用于低于 1GHz 星形网络的湿度和温度传感器节点的系统框图，可实现10 年以上的纽扣电池寿命参考设计。本示例中使用的升压转换器具有内置旁路模式，这对于延长电池寿命至关重要。图 2 显示了TPS61291 升压转换器的典型应用电路。

TPS61291是一款具有引脚可选择输出电压和集成旁路模式的升压转换器。在旁路操作中，该设备提供从输入到系统的直接路径，并允许诸如MSP430的低功耗微控制器（MCU）直接从单个3V Li-MnO2电池或双碱性电池单元操作。
在旁路模式下，用于升压模式操作的集成反馈分压器网络与输出断开，静态电流消耗降至仅15nA（典型）。
在升压模式下，设备在3.3V输出和1.8V输入时提供200mA的最小输出电流。升压模式用于需要调节电源电压且不能直接从输入源工作的系统部件。boost变换器基于电流模式控制器，采用同步整流以获得最大效率，输出通常消耗5.7μa。在升压转换器启动期间，VSEL引脚被读出，集成反馈网络将输出电压设置为2.5V、3V或3.3V。
旁路模式或增压模式操作由系统通过EN/BYP引脚控制。
该设备集成了一个增强的旁路模式控制，以防止在升压模式操作期间存储在输出电容器中的电荷流回输入并为电池充电。

图 1：TIDA-00484 参考设计的框图  

图 2：TPS61291 升压转换器典型应用 

在这种拓扑结构中，毫微功耗系统定时器同时控制超低漏电流负载开关和升压转换器旁路模式。在关闭状态下，升压转换器设置为旁路模式，将电池直接连接到负载开关，同时绕过升压电感以降低损耗。在此期间升压转换器的静态电流通常为 15nA。负载开关在关闭状态期间打开，从而将湿度传感器和无线 MCU 与升压输出断开连接，有效地与电池断开连接。

在开启状态期间，毫微功耗系统定时器将升压转换器设置为正常升压操作并关闭负载开关，从而将模拟传感和无线 MCU 连接到现在已调节的 3.3V 电压轨。添加稳压电压轨使传感器节点能够更充分地耗尽电池并使用最小电压可能高于电池电压的传感器。

该参考设计优化了整个系统的电池寿命，因为升压转换器的旁路模式、毫微功耗系统定时器和超低泄漏负载开关将关断状态平均电流降低到几十毫微安，低于大多数典型的 MCU关机模式。此外，本参考设计中使用的无线 MCU 和湿度传感器功耗极低，可将通态平均电流降至 5mA 以下。由于传感器测量和无线数据传输仅需30ms左右即可完成，预计系统电池寿命大于10年（每分钟测量一次）。

当在具有纳功率系统定时器的占空比架构中使用时，该升压转换器使无线传感器节点成为各种传感器类型的实际应用。由于系统电池寿命比电池本身的典型保质期更长，此 TI 设计参考设计展示了如何使用差异化升压转换器为许多应用实施无线传感器节点。