探索DC2509A多源能量收集演示板：低功耗无线应用的理想之选

在低功耗无线应用领域，能量供应一直是关键问题。今天，我们将深入探讨Linear Technology的DC2509A多源能量收集演示板，它为无线传感器节点等低功耗设备提供了一种高效、灵活的供电解决方案。

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一、DC2509A概述

DC2509A是一款多功能能量收集演示板，能够接收太阳能、热能和压电能量源，或者任何高阻抗交流或直流电源。它包含四个独立的电源电路，由以下能量收集IC组成：

1. LTC3106：300 mA低电压升降压转换器，具有PowerPath™和1.5μA静态电流。
2. LTC3107：超低电压能量收集器和主电池寿命延长器。
3. LTC3330：纳功率升降压DC/DC转换器，带有能量收集电池寿命延长器。
4. LTC3331：纳功率升降压DC/DC转换器，带有能量收集电池充电器。
5. LTC2935 - 2：超低功耗监控器，具有电源故障输出和可选阈值。

该板设计用于连接DC2321A Dust mote无线传感器节点演示板，可监控电池和每个IC的状态信号。

二、规格参数

1. 各IC参数

IC	参数	条件	最小值	典型/默认值	最大值	单位	备注
LTC3106	VIN	备用电源可用	0.33		6	V
		备用电源不可用	0.85
	VOUT		1.8	3.3	5	V	使用R6 - R9设置，见表格10
	VSTORE		2.07	4	4	V	使用R10 - R13设置，见表格11
LTC3107	VIN		30		500	mV	变压器输入
	VOUT		VBAT – 0.23		VBAT – 0.03	V	最小 = 电池为负载供电；最大 = 能量收集为负载供电
LTC3330	VAC1 & VAC2		4		19	V
	IAC1 & IAC2		-50		50	mA
	VOUT		1.8	3.3	5	V	使用R20 - R25设置，见表格14
	UVLO	上升	4	7	18	V	使用R38 - R45设置，见表格16
		下降	3	6	17	V
	LDO_OUT		1.2	3.3	3.3	V	使用R26 - R31设置，见表格12
LTC3331	VAC1 & VAC2		4		19	V
	IAC1 & IAC2		-50		50	mA
	VOUT		1.8	3.3	5	V	使用R46 - R51设置，见表格14
	UVLO	默认上升	4	7	18	V
		默认下降	3	6	17	V
	VFLOAT		3.45	4.0	4.2	V	使用R52 - R57设置，见表格13
	VLBD		2.04	2.70	3.20	V	更多信息见LTC3331数据手册
	VLBC_BAT_IN		2.35	3.03	3.53	V
	VLBC_BAT_OUT		3.02	3.70	4.20	V

2. 电池参数

电池类型	电压	条件	最小值	典型值	最大值	单位	备注
主电池	电压	（注1）	3.08	3	3.8	V	低于最小值更换电池或修改电路配置
副电池	电压	（注2）	3.03	3.6	4.2	V

3. 存储参数

存储类型	能量容量	条件	典型值	单位	备注
陶瓷电容	能量容量	EHVCC = 3.3V	2.3	mJ	在3.3V和默认2.25V LTC2935 - 2下降阈值之间
超级电容	能量容量		37.9	mJ

注1：由于LTC3107的输出电压取决于电池电压，如果主电池电压低于3.08V，VOUT_LTC3107将过低，无法达到默认的2.85V接地开关阈值。可参考LTC2935 - 2电源开关电路部分修改阈值或更换电池。 注2：如果副电池电压低于LTC3331的默认3.03V BAT_IN连接阈值，则无法内部连接到IC作为备用电源。如果有能量收集电源，电池仍可在此状态下充电。也可根据表格13更改连接阈值或更换电池。

三、快速启动步骤

1. 初始设置

将所有0Ω电阻置于默认位置（见装配图，默认电阻有圆点），并确保跳线和开关处于默认设置：	类型	参考编号	位置
跳线	JP1 – JP4	JP3上的分流器
	JP5 – JP8	（未安装）
	JP17	JP17B上的分流器
	JP18	JP18C上的分流器
	JP19	SHIP
	JP20	OFF
开关	SW1	EHVCC
	SW2	PRI
	SW4	OFF
	SW7	OFF

2. 测试步骤

1. 此配置确保LTC3330的输出路由到EHVCC。连接VM1测量EHVCC输出电压，连接PS1和R1模拟太阳能电源。
2. 从PS1输出功率，观察VM1上的电压上升到或调节到3.3V。
3. 连接VM2和LOAD1，将PS1置于待机模式，观察VM1和VM2上的电压开始下降。当VM1上的电压降至2.25V以下时，观察VM2上的电压迅速降至0V。
4. 从PS1输出功率，观察VM2上的电压随着VM1上升超过2.85V而迅速上升到VM1上的电压。
5. 将PS1置于待机模式，然后将SW7设置为“ON”，安装JP7将主电池连接到LTC3330。观察两个电压表上的电压迅速上升到3.3V并调节。
6. 从PS1输出功率，观察IC从使用电池电源切换到通过其能量收集输入使用PS1的功率时，输出电压没有变化。

3. 更换配置

1. 根据图6重新配置电路板：
   • 将分流器从JP3移到JP2，将LTC3107的输出路由到负载。将分流器从JP7移到JP6，用主电池为LTC3107供电。
   • 将VM2的正极引线移到JP6上的分流器，测量主电池的电压。将负极引线移到BGND。
   • 将PS2和R2连接到LTC3107的输入，模拟TEG电源。
2. 观察VM1和VM2上的电压。VM1上的电压应比VM2上的电压低约230mV。
3. 从PS2输出功率，观察LTC3107通过其能量收集输入为负载供电时，VM1上的电压上升到比VM2上的电压低30mV。
4. 将PS2置于待机模式，观察LTC3107从其备用电池为负载供电时，VM1上的电压降至比VM2上的电压低约230mV。

四、操作概述

DC2509A的主要功能是为低功耗无线应用（如无线传感器节点）提供不间断的电源，尽可能多地利用收集到的能量，以延长主电池或副电池的使用寿命。

1. 能量收集与存储

能量收集输入炮塔允许将收集到的能量路由到每个IC的输入，电池作为备用电源。当来自换能器的能量足以驱动负载时，电池可以充电或不使用。四个能量收集IC在这些电源之间切换，利用所有可用的收集能量和必要的备用能量来保持稳定的输出。 超级电容和一组陶瓷电容可以连接到电路板的输出，以存储能量、平滑输出并为负载提供大电流脉冲，确保在无线传感器节点的数据传输等脉冲负载期间电源不间断。

2. 电压监控与切换

LTC2935 - 2低功耗管理IC监控输出电压，并切换接头（HGND）上的接地，使其连接到DC2509A其余部分的接地参考（BGND）。这完成了电路，确保负载获得快速上升的电源，并确保能量存储在负载开始取电之前能够为所需应用收集足够的能量。

3. 与DC2321A的配合

对于DC2321A演示应用，DC2509A还通过输出接头传递缓冲后的IC状态信号。两个电池也可以通过DC2321A上的库仑计数器路由回DC2509A为IC供电，从而可以监控电池的电压、电流和电荷。

五、应用与配置

1. 跳线功能

组	参考编号	功能	条件/备注
JP1 - JP4		将IC输出路由到电路板输出（EHVCC）和接头
	JP1	将LTC3106的VOUT发送到输出和接头
	JP2	将LTC3107的VOUT发送到输出和接头
	JP3	将LTC3330的VOUT发送到输出和接头
	JP4	将LTC3331的VOUT发送到输出和接头
JP5 - JP8		将IC连接到各自的电池
	JP5	用当前选择的电池为LTC3106供电	SW2选择电池
	JP6	用主电池为LTC3107供电
	JP7	用主电池为LTC3330供电
	JP8	用副电池为LTC3331供电	SW2必须设置为PRI
JP17		将EH_ON信号路由到炮塔和Dust接头
	JP17A	将LTC3107的BAT_OFF信号连接到EH_ON炮塔和Dust接头
	JP17B	将LTC3330的EH_ON信号连接到EH_ON炮塔和Dust接头
	JP17C	将LTC3331的EH_ON信号连接到EH_ON炮塔和Dust接头
JP18		将PGOOD信号路由到炮塔和Dust接头
	JP18A	将LTC3106的PGOOD信号连接到PGOOD炮塔和Dust接头
	JP18B	将LTC2935 - 2的PGOOD信号连接到PGOOD炮塔和Dust接头
	JP18C	将LTC3330的PGOOD信号连接到PGOOD炮塔和Dust接头
	JP18D	将LTC3331的PGOOD信号连接到PGOOD炮塔和Dust接头
JP19 - JP20		LTC3331操作
	JP19	切换运输模式，避免不使用时电池放电
	JP20	启用副电池的充电或快速充电

2. 开关功能

参考编号	名称	功能	位置	结果	备注
SW1	能量存储	选择可选能量存储模式	0	关闭	可选能量存储禁用
			1	EHVCC	任何路由到接头的VOUT使用可选能量存储
			2	VSTORE_LTC3107	LTC3107的VSTORE功能使用可选能量存储
SW2	LTC3106电池	为LTC3106选择电池	0	PRI	LTC3106使用主电池，LTC3331使用副电池	电池仍需用跳线路由
			1	SEC	LTC3106使用副电池，LTC3331不使用电池
SW4	超级电容平衡器	将超级电容连接到IC的输出	0	关闭	超级电容平衡器和存储禁用	R96 - R98必须填充以实现主动平衡
			1	LTC3330	LTC3330的超级电容存储启用
			2	LTC3331	LTC3331的超级电容存储启用
SW7	电池	连接/断开电池	0	关闭	两个电池都从电路板断开	JP5 - JP8将电池路由到IC
			1	ON	两个电池都连接到电路板
			2	CCTR	两个电池都通过DC2321A上的库仑计数器路由

3. 炮塔功能

• EHVCC (E1, E2)：所有活动能量收集器电源管理电路的稳压输出，参考BGND。当EHVCC参考HGND时，它是一个开关输出，通过接头J1为负载供电。
• BGND (E3, E4, E10, E12)：电路板接地，是DC2509A的接地参考。除接头外，板上所有部件的参考均为BGND。当EHVCC相对于BGND的电压达到LTC2935 - 2的上升复位阈值时，BGND和HGND（接头接地）通过Q3连接；当EHVCC降至下降复位阈值时，它们断开连接。
• HGND (E5, E6)：接头接地，是通过输出接头连接到DC2509A的任何负载的接地参考。HGND是开关接地，确保负载呈现快速上升的电压。
• EH_ON (E7)：使用JP17选择的IC的能量收集开启输出信号。高EH_ON信号通常表示IC依靠收集的能量而不是电池能量。
• PGOOD (E8)：使用JP18选择的IC的电源良好输出。PGOOD变为高电平表示VOUT已达到稳压。
• VIN_LTC3106 [330mV to 5.0V] (E9)：LTC3106的外部能量收集器输入。
• VIN_LTC3107 [30mV to 500mV] (E11)：LTC3107的外部能量收集器输入。
• AC1_LTC3330 [4V to 19V] (E13)：LTC3330的AC1外部能量收集器输入。
• AC2_LTC3330 [4V to 19V] (E14)：LTC3330的AC2外部能量收集器输入。
• AC1_LTC3331 [4V to 19V] (E15)：LTC3331的AC1外部能量收集器输入。
• **AC2_LTC33