一种基于S-882Z启动IC的无线传感节点电源设计

陈建明， 王亭岭

(华北水力水电学院，郑州 450011)

0 引言

无线传感器网络正在逐渐成为一个非常重要的技术领域，已经有低功率无线传感器平台进入市场。这些平台的设计大都使用电池，突出的问题是电池寿命非常有限。因此，有必要研究潜在的“环境”动力源［1-2］。在使用太阳能电池、温差发电等供电时，常遇到电压低于1 V，甚至低于0.5 V的情况，此时，往往采用升压式充电泵或升压式DC/DC转换器［3］。传统的充电泵的最低输入电压在0.9～1.0 V之间，升压式DC/DC转换器的最低输入电压为1.0 V 左右(启动电压为0.6～0.7 V)。如果输入电压降到0.6 V以下，则传统的充电泵或DC/DC转换器内部的电路(如振荡器、误差放大器、逻辑控制电路、电子开关等)不能正常工作，用传统的升压器件无法解决0.6 V以下的输入电压达到升压的目的。制约超低电压升压的难题主要是最大占空比、开关器件的驱动和升压IC的启动。

1 开关器件的驱动

以图1为例，若开关电源(DC/DC)的驱动电压取自输入电源的话，当电源电压低于DC/DC的工作电压的时候，DC/DC便无法启动。那么，在输出端取电又如何呢?见图2。

图1 驱动电压取自输入电源Fig.1 Driving voltage takes from the input supply

图2 驱动电压取自输出电压Fig.2 Driving voltage takes from the output voltage

同样，当电源电压低于DC/DC驱动电压，DC/DC根本无法启动及进行任何升压动作［4］。但是，若DC/DC一旦被启动，整个电路便可持续动作了。

2 升压电路的启动

如上所述，在这样低输入电压的情况下如何启动DC/DC呢?这时，就需考虑增加一个启动电路，如图3所示。

图3 增加启动IC的升压电路Fig.3 Step-up circuit with start IC

精工电子有限公司(SII)推出了用0.3～0.35 V超低电压升压的方案，给微弱电压电源的应用开创了良好的条件［5］。使用S-882Z系列可以将输入工作电压VIN的范围扩展到0.3 V，并对于输入电压在0.9 V以上(包括0.9 V)，但需较大输出电流情况下激活的升压式DC/DC转换器来升压，均可用S-882Z来启动升压式DC/DC转换器。所以，对于太阳能电池，燃料电池等超低电压的应用而言，其无疑是一个具有实际意义的方案。图4为S-882Z的工作原理图。

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

对S-882Z的④端子输入0.3 V以上的电压时，振荡电路就可以开始工作，并从振荡电路输出CLK信号;通过此CLK信号来驱动充电泵电路，并在充电泵电路中将④端子的电压转换为升压电压;从充电泵电路输出的升压电压，会缓慢地充电到与⑤端子相连接的启动用电容器(CCPOUT)中，因此，⑤端子的电压会缓慢地上升;当⑤端子电压(VCPOUT)达到放电开始电压(VCPOUT1)以上时，转换器(COMP1)的输出信号就会从高电位转变为低电位，因此，处于“关”的状态的放电控制开关(M1)会转变为“开”的状态;M1变为“开”的状态之后，CCPOUT处所充电的升压电力会从OUT端子处开始放电;由于放电，当VCPOUT降低到放电停止电压(VCPOUT2)时，M1就会转变为“关”的状态而停止放电;当③端子电压(VVM)达到开/关控制电压(VOFF)以上时，转换器(COMP2)的输出信号(EN-)就会从低电位转变为高电位，因此，振荡电路会停止工作，并转变为休眠状态;当VVM不能达到VOFF以上时，会利用来自充电泵电路的升压电力来对CCPOUT进行再充电(在此之前CCPOUT必须已放电到VCPOUT小于VCPOUT2，即M1处于“关”状态)。

③端子(VM端)是升压DC/DC转换器输出电压监视端子。所监视的输出电压开始上升，当③端子电压(VVM)达到开/关控制电压(VOFF)以上时，S-882Z会转变为休眠状态。转变为休眠状态后，由于内部的振荡电路停止工作，因此充电泵也会相应地停止工作，而大幅度抑制消耗电流，图5和表1为VM端子的构造与工作状态。在不使用VM端子的情况下，必须使之与②端子(VSS)相连接，若VM端子处于开路状态时，会导致发生误工作。

图5 VM端子的构造Fig.5 VM terminal structure

表1 工作状态Table 1 The working condition

S-882Z系列主要应用于太阳能电池、燃料电池等低压电源的升压;RF标签内部的电压升压(如用于高速公路收费系统)，为间断工作系统提供电源。

3 最大占空比(MaxDuty)的问题

对于超低输入升压电路来说，为了取得高的输出电压，必须要有大占空比的支持。占空比(Duty)的计算公式是［6］:

在连续电流模式下，Duty的计算公式为

按照式(2)来计算，如果是输入0.5 V，而输出5 V的升压电路，最大占空比为90%，一般的升压电路的占空比为80% ～90%，这样是不能完全满足要求的［7］。

对于这个问题，可以考虑采用SII的高倍率升压DC/DC S-8337B［8-9］，其最大占空比就能达到94%。S-8337B的主要特点:输入电压为1.8～6.0 V;基准电压为1.0 ±1.5%;工作电流为 0.5 mA(max);振荡频率为47～200 kHz，能在外部设定;最大占空比为75% ～94%，也可以外部设定;低电压误工作防止功能(UVLO)，软启动，外部相位补偿设定;动作温度范围为-40～+85℃;采用TSSOP8封装。

S-8337B的结构框图如图6所示。

图6 S-8337B结构框图Fig.6 Block diagram of S-8337B

4 完整的设计方案

一个超低电压电源管理系统需要启动电路和升压电路的完美配合［10］，用S-882Z系列配合S-8337B系列就能达到这个目标。图7为利用SII的S-882Z24和S-8337BAJA构成的超低输入电压升压电路。

图7 超低输入电压升压电路Fig.7 Ultra-low input voltage boost circuit

图8 输出电压、效率曲线Fig.8 Curve of output voltage and efficiency

该电源电路在输入电压为0.35 V(CCPOUT=10μF)时，升压DC/DC转换器的启动延时时间为7 s，输入电压为0.70 V(CCPOUT=10μF)时，升压 DC/DC 转换器的启动延时时间为0.6 s，见图9。启动延时时间的长短可以通过CCPOUT的大小来调节，调整CCPOUT时应同时考虑DC/DC转换器的工作电压以及后面的负载大小等因素。

图9 启动延时曲线Fig.9 Start delay curve

5 结束语

本电源电路的设计已调试完成，能量由半导体温差发电模块提供(VIN=0.4～1.7 V)，负载为由CC2430片上系统和DS18B20温度传感器组成的测温节点(VOUT=5 V)，在变电站设备接地状态、外部热缺陷监控系统中成功应用，0.6～7 s的时间延迟完全能满足现场测温监控的要求。

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

［2］高锦超.基于节能策略的无线传感器网络MAC协议［J］.电光与控制，2007，14(1):136-139.

［3］COPE R C，PODRAZHANSKY Y.The art of battery charging［C］//Annual Battery Conference on Applications and Advances，1999:233-235.

［4］PIETKIEWICZ S.A low-voltage，micro-power 1 A switching regulator［C］//37th ISSCC，1990:250-251.

［5］Ultra-low voltage operation charge pump IC for step-up DC/DC converter startup S-882Z series，Rev.1.2_00［Z］.Seiko Instruments Inc，2007.

［6］周志敏，周纪海，纪爱华.模块化DC/DC实用电路［M］.北京:电子工业出版社，2003.

［7］卢建华，吴光彬，赵国荣.一种脉冲调宽式电压调节器的研制［J］.电光与控制，2003，10(3):64-66.

［8］PWM boost DC/DC contrallor FP6791.Rev.1.1［Z］.Fitipower Integrated Technology Inc，2007.

［9］Step-up high-frequency，PWM control switching regulator(DC/DC converter ICs)controllers S-8337/8338 series，Rev.3.1_00［Z］.Seiko Instruments Inc，2007.

［10］SII DC/DC products for PMP power management［Z］.Seiko Instruments(HK)Ltd，2006.