從現代無線傳感器網絡的概念提出至今，能量問題始終是阻止其進入實用的一大挑戰，尚未得到根本性解決。這是因為相對于CPU處理能力提高的速度而言，電池能量密度的提升速度則慢得多，這就是所謂的"電池鴻溝"[1]。而無線傳感網絡節點的微小尺寸進一步限制了電池的電量，且傳感網絡節點在進行射頻通信和運算時功耗較大。實際應用中，由于電池受到自身“額定容量效應”和“恢復效應”特性的限制，電池的名義容量不能完全釋放[2-3]。其中額定容量效應限制了電池的放電電流，而恢復效應有利于電池充分放電。設計節點的供電單元時考慮電池的恢復效應與額定容量效應，使其具有電池監視的功能，這對于無線傳感器網絡這種能量極其受限的系統而言至關重要。

    目前小型化的無線傳感器網絡節點的供電單元普遍采用AA電池與升壓型DC/DC組成的供電系統為節點供電，如克爾斯博（Crossbow）公司推出的Mica系列節點[4-5]。由于升壓型DC/DC能在電池的輸出電壓低于系統工作電壓后還能將電壓提升供節點使用一段時間，這樣可使得電池電量得到更為充分的利用。本文基于ZigBee技術研制了一種無線傳感器網絡節點，節點采用堆棧結構，分為供電單元、處理與傳感器單元和通信單元。供電單元采用了升壓型DC/DC MAX756[6]；傳感器節點的處理單元采用32位微控制器，使節點可以輕松運行通信協議；通信單元采用符合IEEE802.15.4標準的射頻芯片CC2420。
1 供電單元設計
1.1 原理圖設計
    MAX756提供電池監視功能，這有利于發揮電池的恢復效應，使得其容量被充分利用。圖1是本文設計的MAX756的應用電路，除具有電池監視功能外，該電路還有輸出電壓選擇功能。若需要輸出5 V電壓，則引腳2接地；若要輸出3.3 V電壓，則引腳2接Vout，通過跳線P3實現。電池監控電路包括電阻R1、R3和R2，電池輸出電壓的監視閾值通過電阻R1和R3進行設置(如式1)，LBO引腳接10 k?贅上拉電阻R2。當電池的輸出電壓低于閾值時，LBO引腳的輸出狀態會由高電平變為低電平，這樣通過監視微控制器輸入引腳電平由高至低的變化即可實現對電池的監視，從而及時降低電池的負載，發揮電池的恢復效應。

 
    由于MAX756具有大峰值流與高工作頻率的特性，因此良好的PCB布局設計對于保證電源輸出質量很重要，否則在大壓差輸入和大電流輸出的情況下會導致MAX756失去電壓調節能力，無法輸出穩定電壓。在進行MAX756的PCB設計時需要注意：(1)為了減小地反彈與噪聲，電容C1與C2接地的引腳距離要盡可能短，不宜超過5 mm，可參考美信公司提供的MAX756評估板的布局[7]。(2)與LX引腳相連的所有線要盡可能地短。(3)為了獲得最佳的輸出效果，PCB應該采用完整的地層，并且MAX756的接地引腳直接與地層相連，這樣可以得到最大的輸出功率與轉換效率，并有利于減小輸出波紋。
2 供電單元測試
2.1 效率測試
    根據定義，供電單元的效率η是輸出功率Pout與輸入功率Pin之比，即η=Pout/Pin。本文的方法可得到輸出功率與輸入功率，從而得到轉換效率。實驗裝置及連接方法如圖2所示，由一臺Agilent 34401A型萬用表、一臺可調直流穩壓電源和2個作為檢流電阻使用的1 Ω精密電阻構成。2個精密電阻分別與供電單元的輸入端與輸出端串連，這樣通過萬用表分別測量這2個精密電阻兩端的電壓，再根據I=U/R得到輸入與輸出電流。傳感器節點的射頻單元和處理/傳感單元作為供電單元的負載，得到傳感節點在不同工況下的轉換效率。為了節省電量，傳感網絡節點之間應該避免頻繁通信，節點在大部分時間內處于偵聽或休眠狀態。因此，本文僅對節點在偵聽與休眠狀態下的供電單元轉換效率進行了測量。由于傳感節點在工作過程中電池電壓不斷下降，而采用可調直流電源很容易模擬這一情況，另外根據P=U·I也容易求得輸入功率，I由檢流電阻得到。

      供電單元轉換效率的計算過程如下：
     
      經測量，Uout在節點休眠與工作時分別為3.31 V和3.22 V，將它們分別代入上式，結合測量結果得到節點在休眠與工作狀態時供電單元的工作效率曲線如圖3所示。

    由圖3可知，當輸入電壓在1.8 V~3 V的范圍內，輸出電壓為3.3 V時，供電單元的轉換效率在節點處于偵聽狀態時比節點處于休眠狀態時要高，即隨輸出電流的增大而增大；隨著輸入電壓的下降，供電單元的轉換效率也隨之下降，這會加重電池負擔。為了保持供電單元的輸出功率，電池不得不輸出更大的電流。而受額定容量效應的影響，電池會有更多的電量無法利用。
2.2 負載瞬態響應測試
    DC/DC是一個閉環系統，有反饋環節，使得輸出電流的突然變化會引起輸出電壓在穩定值附近產生振蕩，如果電壓振蕩的幅度超過器件工作電壓范圍，則可能會導致系統重啟，甚至損壞。因此，供電單元的瞬態響應性能對于保證系統的安全性與可靠性十分重要，反映了供電單元對于負載階躍輸入中不同頻率分量擾動的抑制能力。為了節能，無線傳感器網絡經常使節點在休眠耗狀態與工作狀態之間切換，這種狀態切換必然引起負載電流的變化，并且時間很短。因此，供電單元經常受到突變負載電流的擾動，其瞬態響應能力對于傳感節點可靠性非常重要。
    負載瞬態響應的測試中，突變負載通過突然改變負載電阻實現，如圖4所示。該電路通過MOSFET的開/關使負載電阻發生突變[8]。在理想的情況下，MOSFET截止時對應的負載電阻為R1+R2，MOSFET導通時對應的負載電阻為R2。而MOSFET的開關速度很快，滿足了瞬態的要求。基于上述原理，本文制作了產生突變負載的實驗裝置，該裝置的R2可通過跳線分別被設置為25 Ω或50 Ω，當供電單元輸出電壓為3.3 V時可產生近似0到90 mA或0到50 mA的突變負載電流。

    為了如實地反映電源對于負載瞬變的響應過程，要盡量減小測試裝置引入的電感、電容分布參數。采用的具體作法是：縮短器件間的連線，以減小分布電阻和電感；采用小封裝的MOSFET和低電感量的電阻；甚至可通過并聯低值陶瓷電容來降低分布電阻和電感，通過多個電容的等效串聯電阻RESR和等效串聯電感LSEL相并聯來降低總的等效阻抗。電路分布參數對于測試結果的影響可通過仿真說明[9]，結果如圖5所示。其中R1和R2的電阻值均為100 Ω，分布電感均為1 μH。

    圖6是供電單元的突變負載電流在0到50 mA和0到90 mA突變時的響應測試結果。從中可以得到，在負載電流發生突變的時刻，供電單元的輸出電壓產生了較大的過沖與下沖，并且其振蕩幅度隨負載電流突變幅度的增加而增加；輸出電壓有較大的高頻噪聲，并且噪聲的程度隨負載電流突變程度的增加而增加。以上測試結果說明，盡管該供電單元可使無線傳感器網絡節點正常工作，但在濾波設計上還需要進行改進。

    電池供電的無線傳感器網絡系統的能量極其受限，決定了它的一切活動應以節能為前提，甚至通過犧牲網絡的其他性能來達到節能的目的。為充分利用電池電量，優化網絡能量分布，需要電池發揮恢復效應與額定容量效應，這要求供電單元具有電池監視的功能。
    本文應用升壓型DC/DC MAX756設計了無線傳感器網絡節點的供電單元，具有輸出電壓選擇與電池監控功能。當電池的輸出電壓低于閾值后，將給微控制器一個低電平信號，這樣應用層協議可以利用網絡的冗余性在不影響網絡通信的情況下發揮電池的恢復效應。同時，搭建了效率測試裝置對供電單元的效率進行了測試。結果顯示，供電單元的效率隨輸入電壓的升高而升高，隨輸出電流的增加而增加。供電單元的負載瞬態響應測試顯示出供電單元在負載瞬變處產生較大的過沖與下沖且輸出電壓噪聲較大。
參考文獻
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[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] 電源的輸入和負載瞬態響應測試[EB/OL].(2008-xx-xx)  [2012-11-09].http：//www.Powersystems.eetchina.com/.
[9] 高英明.無線傳感器網絡能量管理技術與理論研究[D].大連：大連理工大學，2009.