基于DC/DC转换器的WSN节点电源模块设计

邓翠兰

摘要：无线传感网络节点大多采用干电池供电，而干电池在使用过程中其输出电压持续下降导致节点供电电源不稳定，且不能充分利用电池内部所存储能量。本文的电源管理模块可对干电池的进行DC/DC转换，采用升压转换结构，高效率地实现额定电压输出。通过分析节点的工作特性，给出了元器件的选型方案。经实际测得数据分析，该模块的转换效率最高可达90%以上，极大地提高了电池的使用效率以及网络节点的能量利用率。同时由于该模块体积较小，便于与其他产品相结合，因此具有良好的扩展性和通用性。

关键词：DC/DC转换器 升压 电源模块 WSN节点

中图分类号：TN492；TN02 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）12-0153-02

1 引言

现代科技飞速发展，无线传感器网络广泛应用于军事、环境监测和预报、智能家居、精准农业等领域。无线传感器网络（WSN）是由大量部署在监测区域内以电池为能源的廉价微型传感器节点组成的，随着传感器中传感器件和发送器件体积的不断缩小，电源占用无线传感器网络节点的体积则相对越来越大，成为了传感器小型化的瓶颈。目前，大部分的WSN节点使用两节AA电池供能，当电池能量耗尽时，就必须进行电池更换或者充电，通常，网络节点数量庞大且工作环境比较恶劣，频繁更换电池十分困难，所以低功耗是WSN节点设计的首要目标。

本文针对节点电源电压特性和节点各模块工作电流特性，采用低功耗升压DC/DC转换器对节点电源模块进行设计，并给出了元器件的选型方案以及整个电路的设计方案，实现了高效率地将干电池电能转换为节点各模块的工作能量，经过实际测试分析，有效利用了整个干电池的电能，延长了电池的使用寿命。

2 WSN节点电源模块设计方案

“体积小、效率高、价格便宜”，是无线传感网络节点电源模块的总体设计要求。因此，电源模块设计方案主要取决于节点的特性和大小、效率或成本方面的综合要求。级联升压转换器由两级或多级升压转换器离散组成，由于其采用了两级或多级转换，其电源转换率为各级转换器效率之积，如此效率将会大大降低。同时，由于分立的转换器使得元件的尺寸和数量都有所增加，不适用于要求体积尽量小的WSN节点电源。此外，分立的元器件还将大大增加设计的成本。而升压转换器可以很高效率地对干电池的绝大部分能量加以利用，加之升压转换器需要的外部电路十分简单，体积也较小，满足本设计的要求。

3 节点工作特性分析

典型WSN节点主要包括四个模块，分别是：传感器模块、信息处理模块、无线通信模块和电源模块，如图1所示。从图1中可知，WSN节点中各模块工作电源都由电源模块提供。由于系统的功耗P和系统的供电电压U的平方成正比，即电压越小，功耗也就越小。因此从低功耗方面考虑，应尽量选择供电电压低的芯片。其中信息处理模块采用了16位超低功耗单片机MSP430F169。该芯片工作在1.8～3.6V电压上，在1MHz的时钟下运行时工作电流视工作模式不同为0.1～280μA。传感器模块采用了DS18B20温度传感器。温度转换期间该传感器工作电流达到1mA。无线通信模块则采用的是Nordic公司出品的单芯片无线收发模块NRF24L01，0dbm功率发射时发射电流为13mA，最大接收电流为18mA，待机电流为15μA。同时，在考虑信息处理模块的外围辅助电路的能耗的情况下，总的工作电流可达到30mA。综合考虑以上模块的工作特性，应该选用输出稳压+3.3V 30mA的升压转换器。

4 TPS61221简介

TPS6122x的引脚排列图如图2所示，其中TPS61220为输出1.8V～6V可调版本，TPS61221和TPS61222则分别为稳定输出电压3.3V、5V版本。表1列出了每个引脚的功能描述。

①EN：芯片使能输入引脚，当EN=‘1时，芯片使能；②FB：电压反馈输入引脚，通过对输出电压进行分压反馈从而实现对输出电压大小的控制。正常工作时其电压典型值为0.5V。固定输出版本此引脚必须直连到电压输出引脚。

TPS61221的主要性能参数：（1）在VIN≥1.2V，VOUT=3.3V时，输出电流为30mA；（2）器件典型静态电流仅为5.5μA；（3）启动电压为0.7V；（4）工作电压为0.7V～5.5V。

5 节点电源模块的设计

WSN节点电源模块采用的是两节AA干电池供电，其输出为供传感器模块、信息处理模块以及无线通信模块工作的+3.3V 30mA DC。因此，选取TI公司的TPS61221芯片对网络节点供电模块进行设计，该模块结构设计如图3所示。

TPS61221的应用电路图如图4所示。EN引脚与VIN引脚直连，这样当输入的电压值达到了芯片的工作电压时，芯片能够正常使能。

（1）输入电压。如图4所示为TPS61221应用原理电路。其输入电压为两节AA干电池，电池电压从3V开始逐渐降低，在2.4V左右电压迅速下降，直至0.9V左右电池能量基本耗尽。

（2）电感选择。为了保证芯片正常运行，必须选择一个合适的电感，4.7μH在整个输入输出电压范围内都显示着良好的效果，因此通常选择4.7μH的电感。

（3）输入电容。输入电容应尽量靠近VIN端。该电容能够减小电源的峰值电流及噪声输入。一般此电容的容量与输出电容容量相等，或者小于输出电容的容量。

（4）输出电容。输出电容用作电路温度及减小输出纹波电压。一般使用10μF容量的电容，采用贴片式陶瓷电容不仅温度稳定性好，而且等效串联电阻（ESR）小，有较小的纹波电压及更好的效率。

6 节点电源模块性能测试

在理论上，本设计所采用的TPS61221升压转换器在固定输出3.3V稳定电压时最高可以达到95%以上的转换效率，而实际应用时有一定的差别存在。对于普通的电压转换电路而言，最关键的一个参数就是转换效率η。通常电源模块的转换效率η用下式定义：endprint

，

式中，为输出功率（W），为输入功率（W），为输出电压，为输出电流，为干电池输入电压，为干电池输出电流。

同时，设计中搭建了测试平台对电源模块的稳压特性及转换效率以进行分析测试，测试中，主要通过对干电池宽电压（0.7V的启动电压～两节干电池满电压3V）变化时升压转换器输入输出数据的采集来分析电源模块的各项性能参数。测试结果如图5、图6、图7所示。

图5是测试得到的在IOUT=30mA，VOUT=3.3V时，转换器的转换效率曲线。由图可知，在VIN>2.4V时，芯片转换率都在90%以上，此时干电池输出电压下降缓慢，所存储的能量比较充足，高转换率能充分利用电池内部存储能量。当0.9V

图6是芯片使能时，空载情况下不同输入电压对应的输入电流，由图可知空载时输入电流在启动电压0.7V时最大，为35μA，随着输入电压逐渐增大，空载时输入电流逐渐减小至10μA以下。充分满足了低功耗的要求。

图7显示的输入不同电压时，输入电流与其对应的输出电压关系曲线。从图中可看出，若VIN=0.7V，当IOUT≤30mA时，输出电压VOUT一直比较稳定地保持在3.3V左右，若IOUT继续增大，VOUT的值将迅速减小；若VIN=1.2V，当IOUT≤50mA时，稳定输出3.3V左右电压；而若VIN=2.4V时，图中所测范围输出电压持续稳定在要求电压左右。以上分析可知本设计稳压效果完全满足了要求。

7 结语

根据实际负载需求，选取合适的DC/DC升压转换器（TPS61221）以设计WSN节点的电源模块，结合所选取的转换器特性进行相关元器件的选取以及具体电路的分析，设计出节点的电源模块。经过实际测试证明，利用TPS61221设计的WSN节点电源管理模块，集成度高，外围电路简单，其输出电压不会随着干电池的变化而变化，高效率地将整个干电池电能传输给节点其他模块。此外，此电源模块也满足WSN节点“小体积、高效率、价格便宜”的设计要求，极大的提高了系统的通用性和灵活性。

参考文献

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