无线传感器网络节点低功耗电源管理芯片研究

摘要

随着近几年科学技术的飞快发展，对信息的需求越来越大，无线传感器网络因此成为最受关注的新兴技术。由于无线传感器网络具有集成化、微型化的特点，无线传感器网络节点成为获取外界信息的主要途径之一。由于节点分布密集，需长时间工作在复杂多变的环境中，因此网络节点对能量的利用率要求较高。开关电源发展时间较长，设计较为成熟，工艺较为先进，因此设计适用于网络节点的开关电源管理芯片，能够满足无线传感网络节点对能量的需求。 本文提出设计一款低功耗的电源管理芯片，并将其应用于实际转换电路方案中。在对典型的开关电源拓扑结构、调制模式、控制模式以及功耗的分析和研究后，以此为基础获得了适用于本文的隔离型反激式开关电源芯片的主要设计方案，并增加了提高可靠性的功能保护电路。同时还对当下主流工艺进行分析，选取了最适合本文设计的BCD工艺。 本文根据提出的主要设计方案，先从整体层面分析了电路设计的主要功能模块同时设计了整体的电路架构，提出了降低静态损耗和开关损耗的低功耗策略，即采用低功耗得内部关键电路模块和高效的调制模式，并在总体架构的基础上对关键电路模块进行了设计分析，通过Spice仿真软件对设计的模块电路进行功能和性能仿真。为了实现低功耗设计，采用了低功耗的内部电路模块和根据负载反馈调节占空比以减少开关损耗的策略。所设计的各关键模块电路达到的指标为：带隙基准电压输出 1.25V，温漂系数为 20.41ppm/℃；线性稳压器电路稳定输出 5V电压给其他电路模块供电；比较器电路的开环增益达到75dB；脉宽调制电路和驱动电路的响应时间较短，同时在驱动电路设计死区时间；过流保护电路让芯片的最大电流限制在60mA；过压保护电路限制芯片内部电压并减少信号毛刺。 最后对本文设计的无线传感器网络节点低功耗电源管理芯片进行了一个实际应用电路的设计，并对芯片进行了整体层面的仿真。仿真结果验证了芯片的启动过程正常，输出电压纹波率为5.27%，轻载或空载时芯片能通过负载反馈调节占空比和跳周期输出。在对芯片整体仿真之后进行了芯片的版图设计。

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