通過無線傳感器實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池壽命

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 中最具技術(shù)性的挑戰(zhàn)之一是您可以將傳感器節(jié)點(diǎn)放置在任何地方。這些傳感器測(cè)量諸如溫度和濕度（在連接的家庭中）、高速公路橋梁的機(jī)械應(yīng)力（實(shí)時(shí)維護(hù)監(jiān)控）或氣體或水的消耗（智能流量計(jì)量）等參數(shù)。跟著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的不斷延伸，關(guān)于無線傳感器節(jié)點(diǎn)的需求也在不斷地添加。在IoT網(wǎng)絡(luò)中集成了許多不同的傳感器類型：溫度、濕度、壓力和環(huán)境光，不乏其人。跟著在IoT網(wǎng)絡(luò)中添加感測(cè)功用的需求不斷添加，傳感器節(jié)點(diǎn)的電池運(yùn)用壽數(shù)也變得越來越重要。服務(wù)器收集和處理這些數(shù)據(jù)，需要廣泛的覆蓋區(qū)域來構(gòu)建具有可靠數(shù)據(jù)的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)。使這成為可能的技術(shù)是將傳感器數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)街醒胫鳈C(jī)系統(tǒng)。要啟用這樣的廣泛網(wǎng)絡(luò)，您必須考慮另一個(gè)關(guān)鍵方面，整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)必須具有非常長(zhǎng)的運(yùn)行壽命。使用壽命越長(zhǎng)，維護(hù)成本就越低。

為了下降與電池維護(hù)相關(guān)的本錢，而且削減與之相關(guān)的工作量，保證每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有盡可能長(zhǎng)的電池運(yùn)用壽數(shù)也就變得很有必要了。大多數(shù)常見無線傳感器節(jié)點(diǎn)選用占空比的辦法來延伸電池壽數(shù)。在這種運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)加電，記載傳感器的丈量值，將數(shù)據(jù)無線發(fā)送至中心集線器或網(wǎng)關(guān)，然后自行封閉，或許運(yùn)用低功耗形式或負(fù)載開關(guān)來封閉。影響整個(gè)體系電池壽數(shù)的主要因素是接通狀況持續(xù)時(shí)刻，接通狀況均勻電流，封閉狀況持續(xù)時(shí)刻和封閉狀況均勻電流。

要實(shí)現(xiàn) 10 年或更長(zhǎng)時(shí)間的無線傳感器壽命，具有最低電流消耗的設(shè)計(jì)絕對(duì)是關(guān)鍵。超低功耗微控制器片上系統(tǒng) (SoC) 設(shè)備具有多種低功耗模式，可降低電流消耗。像CC430F5137這樣的超低功耗 SoC延長(zhǎng)了無線傳感器的使用壽命，因?yàn)樗鼘?shí)施了待機(jī)模式，當(dāng)設(shè)備直接連接到電池時(shí)消耗大約 2μA 的電流。

圖 1：睡眠模式下的無線 SoC 電流消耗

將 SoC 與超低功耗降壓轉(zhuǎn)換器結(jié)合使用以降低電源電壓時(shí)，您可以進(jìn)一步降低電流消耗，如圖 2 所示。這些是靜態(tài)電流為百分之幾納安的降壓轉(zhuǎn)換器，例如TPS62740（360nA）。

TPS6274x是業(yè)界第一款具有典型功率的降壓轉(zhuǎn)換器。360nA靜態(tài)電流，使用2.2μH的微型電感和10μF的輸出電容工作。這種新型DCS控制系統(tǒng)? 該器件將輕載效率范圍擴(kuò)展到10μA負(fù)載電流以下。TPS62740支持高達(dá)300mA的輸出電流，TPS62742支持高達(dá)400mA的輸出電流。該裝置使用可充電鋰離子電池、鋰原電池化學(xué)物質(zhì)（如Li-SOCl2、Li-MnO2）和兩個(gè)或三個(gè)電池堿性電池運(yùn)行。高達(dá)5.5V的輸入電壓范圍還允許從USB端口和薄膜太陽能模塊進(jìn)行操作。用戶可通過四個(gè)VSEL引腳在1.8V至3.3V的范圍內(nèi)以100mV的步長(zhǎng)選擇輸出電壓。TPS6274x具有低輸出紋波電壓和低噪聲，輸出電容小。一旦電池電壓接近輸出電壓（接近100%占空比），設(shè)備將進(jìn)入無紋波100%模式操作，以防止輸出紋波電壓增加。然后，設(shè)備停止切換，輸出連接到輸入電壓。集成的回轉(zhuǎn)率控制負(fù)載開關(guān)提供。電阻為0.6Ω，可將選定的輸出電壓分配給臨時(shí)使用的子系統(tǒng)。TPS6274x采用小型12引腳2×3mm2WSON封裝，支持總尺寸為31mm2的解決方案。

圖 1 中的藍(lán)色跡線顯示了使用此 DC/DC 轉(zhuǎn)換器將電源電壓降至 2.1V 后應(yīng)用程序消耗的電流。綠色跡線顯示該設(shè)備直接連接到電池時(shí)的供電電流。電流消耗取決于電源電壓。兩條曲線都表明，由于高效的降壓轉(zhuǎn)換，電池電壓越高，您節(jié)省的電量就越多。在典型的 3.6V 鋰亞硫酰氯 (LiSOCl2) 電池端電壓下，與直接連接電池相比，總電流消耗下降了 30%。這轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的系統(tǒng)壽命增加。

圖 2：低 I Q電源解決方案框圖

到目前為止，傳感器數(shù)據(jù)射頻 (RF) 傳輸還沒有廣泛應(yīng)用于更長(zhǎng)的距離。這種長(zhǎng)距離無線功能為系統(tǒng)的電源考慮增加了另一個(gè)層次的復(fù)雜性。雖然無線傳感器節(jié)點(diǎn)需要消耗盡可能低的平均功率，但它還必須能夠?yàn)榕紶柕臄?shù)據(jù)傳輸提供高峰值電流。因此，除了具有盡可能低的靜態(tài)電流外，DC/DC 轉(zhuǎn)換器還必須滿足傳感器數(shù)據(jù)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬蓚€(gè)額外關(guān)鍵要求：

· 為射頻放大器的更高電流提供高效的功率轉(zhuǎn)換。

· 以非常低的噪音運(yùn)行。

TPS62740等超低功耗 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通過在從幾微安到幾百毫安的超過四個(gè)輸出電流十年內(nèi)具有高效率來滿足要求——這是確保在睡眠中為無線 SoC 轉(zhuǎn)換電壓時(shí)損耗最低的關(guān)鍵特性模式以及高功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡咝?。為確保為 RF 數(shù)據(jù)傳輸提供靜音電源，轉(zhuǎn)換器采用 RF 友好型 DCS 控制，具有最低的輸出電壓紋波。