升压型DC/DC MAX756应用研究*

高英明 ，邹念育 ，张环月 ，曹冠英 ，张竞辉 ，金仁成

（1.大连工业大学 光子学研究所，辽宁 大连 116034；2.大连理工大学 机械工程与材料能源学部，辽宁 大连 116023）

从现代无线传感器网络的概念提出至今，能量问题始终是阻止其进入实用的一大挑战，尚未得到根本性解决。这是因为相对于CPU处理能力提高的速度而言，电池能量密度的提升速度则慢得多，这就是所谓的“电池鸿沟”[1]。而无线传感网络节点的微小尺寸进一步限制了电池的电量，且传感网络节点在进行射频通信和运算时功耗较大。实际应用中，由于电池受到自身“额定容量效应”和“恢复效应”特性的限制，电池的名义容量不能完全释放[2-3]。其中额定容量效应限制了电池的放电电流，而恢复效应有利于电池充分放电。设计节点的供电单元时考虑电池的恢复效应与额定容量效应，使其具有电池监视的功能，这对于无线传感器网络这种能量极其受限的系统而言至关重要。

目前小型化的无线传感器网络节点的供电单元普遍采用AA电池与升压型DC/DC组成的供电系统为节点供电，如克尔斯博（Crossbow）公司推出的Mica系列节点[4-5]。由于升压型DC/DC能在电池的输出电压低于系统工作电压后还能将电压提升供节点使用一段时间，这样可使得电池电量得到更为充分的利用。本文基于ZigBee技术研制了一种无线传感器网络节点，节点采用堆栈结构，分为供电单元、处理与传感器单元和通信单元。供电单元采用了升压型DC/DC MAX756[6]；传感器节点的处理单元采用32位微控制器，使节点可以轻松运行通信协议；通信单元采用符合IEEE802.15.4标准的射频芯片 CC2420。

1 供电单元设计

1.1 原理图设计

MAX756提供电池监视功能，这有利于发挥电池的恢复效应，使得其容量被充分利用。图1是本文设计的MAX756的应用电路，除具有电池监视功能外，该电路还有输出电压选择功能。若需要输出5 V电压，则引脚2接地；若要输出 3.3 V电压，则引脚 2接 V out，通过跳线P3实现。电池监控电路包括电阻R1、R3和R2，电池输出电压的监视阈值通过电阻R1和R3进行设置(如式1)，LBO引脚接10 kΩ上拉电阻R2。当电池的输出电压低于阈值时，LBO引脚的输出状态会由高电平变为低电平，这样通过监视微控制器输入引脚电平由高至低的变化即可实现对电池的监视，从而及时降低电池的负载，发挥电池的恢复效应。

1.2 供电单元PCB 设计

由于MAX756具有大峰值流与高工作频率的特性，因此良好的PCB布局设计对于保证电源输出质量很重要，否则在大压差输入和大电流输出的情况下会导致MAX756失去电压调节能力，无法输出稳定电压。在进行MAX756的PCB设计时需要注意：(1)为了减小地反弹与噪声，电容C1与C2接地的引脚距离要尽可能短，不宜超过5 mm，可参考美信公司提供的MAX756评估板的布局[7]。(2)与LX引脚相连的所有线要尽可能地短。(3)为了获得最佳的输出效果，PCB应该采用完整的地层，并且MAX756的接地引脚直接与地层相连，这样可以得到最大的输出功率与转换效率，并有利于减小输出波纹。

2 供电单元测试

2.1 效率测试

根据定义，供电单元的效率η是输出功率Pout与输入功率Pin之比，即η=Pout/Pin。本文的方法可得到输出功率与输入功率，从而得到转换效率。实验装置及连接方法如图2所示，由一台Agilent 34401A型万用表、一台可调直流稳压电源和2个作为检流电阻使用的1Ω精密电阻构成。2个精密电阻分别与供电单元的输入端与输出端串连，这样通过万用表分别测量这2个精密电阻两端的电压，再根据I=U/R得到输入与输出电流。传感器节点的射频单元和处理/传感单元作为供电单元的负载，得到传感节点在不同工况下的转换效率。为了节省电量，传感网络节点之间应该避免频繁通信，节点在大部分时间内处于侦听或休眠状态。因此，本文仅对节点在侦听与休眠状态下的供电单元转换效率进行了测量。由于传感节点在工作过程中电池电压不断下降，而采用可调直流电源很容易模拟这一情况，另外根据 P=U·I也容易求得输入功率，I由检流电阻得到。

供电单元转换效率的计算过程如下：

经测量，Uout在节点休眠与工作时分别为3.31 V和3.22 V，将它们分别代入上式，结合测量结果得到节点在休眠与工作状态时供电单元的工作效率曲线如图3所示。

由图3可知，当输入电压在1.8 V～3 V的范围内，输出电压为3.3 V时，供电单元的转换效率在节点处于侦听状态时比节点处于休眠状态时要高，即随输出电流的增大而增大；随着输入电压的下降，供电单元的转换效率也随之下降，这会加重电池负担。为了保持供电单元的输出功率，电池不得不输出更大的电流。而受额定容量效应的影响，电池会有更多的电量无法利用。

2.2 负载瞬态响应测试

DC/DC是一个闭环系统，有反馈环节，使得输出电流的突然变化会引起输出电压在稳定值附近产生振荡，如果电压振荡的幅度超过器件工作电压范围，则可能会导致系统重启，甚至损坏。因此，供电单元的瞬态响应性能对于保证系统的安全性与可靠性十分重要，反映了供电单元对于负载阶跃输入中不同频率分量扰动的抑制能力。为了节能，无线传感器网络经常使节点在休眠耗状态与工作状态之间切换，这种状态切换必然引起负载电流的变化，并且时间很短。因此，供电单元经常受到突变负载电流的扰动，其瞬态响应能力对于传感节点可靠性非常重要。

负载瞬态响应的测试中，突变负载通过突然改变负载电阻实现，如图4所示。该电路通过MOSFET的开/关使负载电阻发生突变[8]。在理想的情况下，MOSFET截止时对应的负载电阻为R1+R2，MOSFET导通时对应的负载电阻为R2。而MOSFET的开关速度很快，满足了瞬态的要求。基于上述原理，本文制作了产生突变负载的实验装置，该装置的R2可通过跳线分别被设置为25Ω或50Ω，当供电单元输出电压为3.3 V时可产生近似0到90 mA或0到50 mA的突变负载电流。

为了如实地反映电源对于负载瞬变的响应过程，要尽量减小测试装置引入的电感、电容分布参数。采用的具体作法是：缩短器件间的连线，以减小分布电阻和电感；采用小封装的MOSFET和低电感量的电阻；甚至可通过并联低值陶瓷电容来降低分布电阻和电感，通过多个电容的等效串联电阻RESR和等效串联电感LSEL相并联来降低总的等效阻抗。电路分布参数对于测试结果的影响可通过仿真说明[9]，结果如图 5所示。其中 R1和R2的电阻值均为100Ω，分布电感均为1μH。

图6是供电单元的突变负载电流在0到50 mA和0到90 mA突变时的响应测试结果。从中可以得到，在负载电流发生突变的时刻，供电单元的输出电压产生了较大的过冲与下冲，并且其振荡幅度随负载电流突变幅度的增加而增加；输出电压有较大的高频噪声，并且噪声的程度随负载电流突变程度的增加而增加。以上测试结果说明，尽管该供电单元可使无线传感器网络节点正常工作，但在滤波设计上还需要进行改进。

电池供电的无线传感器网络系统的能量极其受限，决定了它的一切活动应以节能为前提，甚至通过牺牲网络的其他性能来达到节能的目的。为充分利用电池电量，优化网络能量分布，需要电池发挥恢复效应与额定容量效应，这要求供电单元具有电池监视的功能。

本文应用升压型DC/DC MAX756设计了无线传感器网络节点的供电单元，具有输出电压选择与电池监控功能。当电池的输出电压低于阈值后，将给微控制器一个低电平信号，这样应用层协议可以利用网络的冗余性在不影响网络通信的情况下发挥电池的恢复效应。同时，搭建了效率测试装置对供电单元的效率进行了测试。结果显示，供电单元的效率随输入电压的升高而升高，随输出电流的增加而增加。供电单元的负载瞬态响应测试显示出供电单元在负载瞬变处产生较大的过冲与下冲且输出电压噪声较大。

[1]LAHIRI K，RAGHUNATHAN A，DEY S，et al.Batterydriven system design：a new frontier in low power design[C].Proceedings of 7th Asia and South Pacific and the 15th International Conference on VLSI Design，Bangalore，India，2002：261-267.

[2]DOYLE M，NEWMAN J.Analysis of capacity-rate data for lithium batteries using simplified models of the discharge process[J].Journal of Applied Electrochemistry，1997，27(7)：846-856.

[3]PANIGRAHI D，CHIASSERINI C，DEY S，et al.Battery life estimation for mobile embedded systems[C].Fourth International Conference on VLSI Design，Bangalore，India，2001：55-63.

[4]ROUNDY S，STEINGART D，FRECHETTE L，et al.Power sources for wireless sensor networks[M].Berlin：Springer Berlin/Heidelberg，2004.

[5]HILL J L，CULLER D E.Mica：a wireless platform for deeply embedded networks[J].IEEE MICRO，2002，22(6)：12-24.

[6]Maxim Integrated.MAX756/MAX7573.3 V/5 V/adjustableoutput，step-up DC-DC converters[EB/OL].(2007-xx-xx)[2012-11-09].http：//www.maxim-ic.com.cn/pdfserv/en/ds/MAX756-MAX757.pdf.

[7]Maxim Integrated.MAX756/MAX757 evaluation kit[EB/OL].(1995-xx-xx)[2012-11-09].http：//www.maxim-ic.com.cn/pdfserv/en/ds/MAX756EVKIT.pdf.

[8]电源的输入和负载瞬态响应测试[EB/OL].(2008-xx-xx)[2012-11-09].http：//www.Powersystems.eetchina.com/.

[9]高英明.无线传感器网络能量管理技术与理论研究[D].大连：大连理工大学，2009.