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精确,自给自足无线温度传感器设计方案

时间:12-08 来源:互联网 点击:

要求读取转换结果。在需要非常频繁地读取温度值的系统中,这种工作方式是非常便利。但是,有些超低功率应用可能在两次读数之间等待很长时间。为了确保提供给用户的温度数据始终是“新鲜”的读数,这类应用首先切换 CSb 和 SCK 引脚,以将“陈旧的”温度读数从 ADC 寄存器中移出,然后自动地开始进行新的温度转换。微处理器一直等待到转换结束为止,然后通过 SPI 端口读取结果。即使新的温度读取过程会再次自动开始,但是系统接下来会关闭热敏电阻器网络 (通过关闭 LDO),因为这些额外的温度读数随后将被忽略。

该温度传感器电路的总功耗可以按如下方法估计。首先,求基准 (350uA)、热敏电阻器网络 (25μA) 和 ADC (转换时为 160μA) 的电流之和,所得总电流为 535μA (参见表 1)。然后,考虑这一电流持续多长时间。ADC 每次转换大约耗时 140ms,在每次转换之前,等待 80ms,以让基准和热敏电阻器稳定。再加上一些 SPI 读数所需时间,这样接通时间大约为 300ms。在 300ms时间内消耗 535μA 电流,相应于 160μC 的电荷量。我们应该在这个电荷量之上,再加上给 4.7μF 电源旁路电容器充电至电压基准所需的电荷量,因为每次读数时这个节点都从 0V 充电至 3V。加上这个 14μC 的电荷量,每次读取温度数据时所需的总电荷量为 174μC。如果每隔 10 秒读取一次温度数据,那么就可计算出,平均电流消耗为 17μA。其他平均电源电流的例子在表 2 中给出。

表 1:信号链路电流消耗 (工作时)

表 2:基于温度读取频率进行电源管理的信号链路的平均电流消耗

LTC3330 管理这个应用的所有电源。该芯片含有两个开关模式电源和一个线性稳压器,采用小型单片封装。降压-升压型转换器可从电池取得功率,以保持稳定的输出电压 (对这个应用而言设定为 3.6V)。一个单独的降压型转换器可从太阳能电池板取得功率,也将输出电压调节至相同的值。一个内部优先级区分器确保尽可能使用太阳能电源,仅当需要时才会从电池吸取功率 (图 3)。对于其他应用,LTC3330 还支持 AC 能量收集电源,例如产生与振动能量成比例的 AC 电压之压电晶体 (参见图 4)。

图 3:LTC3330 从太阳能电池板或电池取得功率,自动地设定这两种电源的优先级,以保持稳定输出电压。一个额外的 LDO 输出由逻辑输入引脚控制,这用来设定温度传感器电源的占空比。LTC3330 产生一个输出标记,以指示正在使用的是太阳能电源还是电池电源。(SOLAR PANEL:太阳能电池板;BATTERY:电池)

图 4:LTC3330 能量收集型 DC/DC 电池寿命延长器从压电、太阳能或磁性能源收集能量。LTC3330 吸取不到 1μA 静态电流,非常适合这种低功耗无线应用。电源功耗仅占总功耗的一小部分,所以大部分功率可用于“负载” (即温度传感器和无线网络)。

除了这两个开关模式电源,LTC3330 还含有一个具备单独使能引脚的 LDO。这功能对于这类占空比的应用是很有用。电压基准和热敏电阻器网络用该 LDO 供电。这不仅降低了开关噪声,还允许应用切换信号链电源接通和关断,同时保持无线电模块的电源始终接通。即使无线电模块在两次传输之间不消耗太多功率,但是它必须始终保持偏置,以保持定时器正确运行,这样整个网络就能保持时间同步了。无线电模块内的微处理器在恰当的时间给 LDO 使能引脚排序,使信号链路为读取温度数据做好准备。

LTC3330 提供一个输出标记 (EH_ON),该标记说明系统是在由电池还是太阳能电池板供电。能够实时访问这一信息对最终用户来说可能很重要。因此,我们让无线电模块中的微处理器读取这一输出标记,并通过网络与温度数据一起传送这一信息。EH_ON 输出的逻辑电平是对于 LTC3330 的一个内部偏置电压,该偏置电压随工作模式不同而改变,可能高于 4V。我们不是将这个输出引脚直接连接到电压较低的无线电模块逻辑输入,而是对其进行分压,然后将其馈送给一个内置的 10 位 ADC,该 ADC 是微处理器的组成部分。在本文情况下,我们仅将这个 ADC 作为比较器使用,以指示 LTC3330 正在使用哪个电源。

无线网络

LTP5901 是一个完整的无线电模块,含有无线电收发器、嵌入式微处理器和网络软件。其物理设计由一块小型印刷电路板组成,可非常容易地焊接到包含该应用其余部分 (信号链路和电源

管理) 之主电路板上。

在这个应用中,LTP5901 执行两种功能:无线网络和内务处理微处理器 (图 5)。当给一个网络管理器附近的多个 LTP5901 节点加电后,这些节点相互自动识别,并形成一个无线网格网络。整个网络自动完成时间同步,这意味着每个无线电模块都仅在非常短

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