电源单元是传感器节点能源供给部分，它决定着传感器网络的寿命，因此节点的电源设计非常重要。电源单元主要由电池、电源管理模块及外围电路构成。电源设计首先要考虑的是低功耗。由于负载的功耗与电压的二次方成正比，因此在保证系统可靠工作时尽量选用较低的工作电压。传感器、MCU、无线射频模块等节点组成部分都有低工作电压选择余地，如+3.3V。综合考虑上述因素，提出如图7-18所示的电源系统示意图。

图7-18 节点电源系统示意图

在该系统中，太阳能电池板产生的能量通过充电控制单元被存储在锂电池中；供电管理单元通过对电池电压的实时监测选择合适的供能方案。由于电池放电时其端电压会逐渐降低，对A-D转换器采样等会造成影响。此外各种器件的工作电压也不一致，为了保证系统可靠地工作，需要一个稳定的供电电压。由于电源单元本身应尽可能少地消耗电池能量，必须提高电源的转换效率，因此设计了一个具有高效率的DC-DC转换单元为节点上的负载提供稳定的电压。

（1）充电控制单元

充电控制单元连接着太阳能电池板和锂电池，其功能主要是有效地将收集到的能量存储在锂电池中。本设计中太阳能电池板选用80mm×45mm的电池板，此电池板最大输出功率时输出电压为5.5V，电流为150mA，转换效率为16%。锂电池没有记忆效应，选用一款容量为2000mAh，工作电压为3.7V的锂电池。该单元控制部分采用凌力尔特公司推出面向锂离子电池的智能充电控制芯片LTC4070。该器件以其450μA的工作电流，用以前不能使用的非常低的电流断续或连续充电，对电池进行充电和保护。该器件的功能非常适用于连续和断续、低功率充电电源应用。LTC4070具有引脚可选的4.0V、4.1V或4.2V设置，其1%准确度的电池浮置电压允许用户优化电池容量和寿命之间的平衡。独立的低电池电量和高电池电量监测状态输出表明电池已放电或充分充电。加上一个与负载串联的外部功率场效应晶体管，该低电池电量状态输出实现了锁断功能，该功能自动使系统负载与电池断接，以保护电池免于深度放电。充电控制单元原理图如图7-19所示。

太阳能电池板未对锂电池进行充电时为了减少LTC4070能量消耗添加晶体管VT1，当VT1基极电压下降时将LTC4070与锂电池隔离。在正常充电模式下大部分电流通过VT1流向锂电池。当VCC到达ADJ设置的浮点电压时，LTC4070分流VT1中BC结的电流持续地减少电池充电电流直至0，并且VT1进入饱和状态。如果热敏电阻T升高浮点电压降低，LTC4070将分流更多的电流，VT1强制进入反偏状态直到电池电压下降。ADJ引脚用于设置浮点电压，当接至地时为4.0V，接至VCC时为4.2V，悬空时为4.1V。当锂电池电压低于3.2V时LBO拉高，VD1点亮，当锂电池充电饱和后，HBO拉高，VD2点亮。

图7-19 充电控制单元原理图

（2）供电管理单元

供电管理单元具有两方面的功能：一是为了不使锂电池深度放电，需要对其放电门限进行设置；二是获取当前电池的电压以决定节点采取的功耗模式。由MAX680及MAX8211构成的锂电池放电门限设置电路如下图7-20所示。

在该电路中，当锂电池电压下降到由R₇和R₅所决定的门限电压时，MAX8211就会截止MAX680的供电电压，最后使IRF541处于关闭状态而断开供电电池与负载电路。IRF541功率开关的导通电流小于0.5mA，关闭漏电流仅为8μA以下。该电路的启动门限V_u和截止门限V₁与外加电阻R₅、R₆和R₇之间的关系可由下式给出：

R₅=R₆（V₁/1.15-1）

R₇=1.15R₅/（V_u-V₁）

为了能够执行有效的电源管理，需要了解电池能量的储存情况，并根据任务需求和自身能量状态调整工作状态和通信策略。设计中采用LM4041电压基准芯片，有微处理器采样其端电压，并计算电池的实际电压值以供程序处理，其原理图如图7-21所示。(www.daowen.com)

图7-20 电池门限设置电路

图7-21 电池电压测量电路

U4为LM4041，该芯片为微功耗精密稳压管。电阻R_S负责提供稳压电流I_L和负载电流I_Q。R_S的取值应满足流过稳压管的电流I_Q不超过I_Qmin和I_Qmax。R_S的计算公式如下：

R_S=（V_S-V_R）/（I_L+I_Q）

式中，当V_S取4.2V，V_R取1.2V，I_L+I_Q约为120A，计算出R_S取值约为27kΩ。在实现过程中，使用ADC0测量稳定电压V_Q，选用电池供电电压作为ADC的参考电压V_ref。当PC0置0时VT3导通，ADC0的读数为ADC_Data。ADC_Data与参考电压V_ref的关系如下式所示：

式中，V_Q为固定值1.2V；ADC_FS为输入满量程的测量值，由式可以计算出V_ref也就得到电池的实际电压。

（3）电源输出模块

MCU的工作电压一般为2.7～3.3V，传感器工作电压有3V和5V。由于MCU与传感器所需电压不一致，而且锂电池的供电电压为3.7～4.2V，这就需要进行DC-DC转换。本方案中选用凌特公司的LTC3537芯片。LTC3537具有集成输出断接功能和LDO的2.2MHz、电流模式同步升压型DC-DC转换器。该器件的升压型转换器内部600mA开关可从启动时的0.68V（工作时为0.5V）至5V输入电压范围提供高达5.25V的输出电压，非常适用于锂离子/聚合物或单节/多节碱性/镍氢金属电池应用。LTC3537的应用原理图如图7-22所示。

将LTC3537的MODE引脚置为低电平工作在PWM模式，ENBST和ENDLO置为高电平工作在正常状态，也可置为低电平使其截止。两路输出分别为3.3V和5V。

图7-22 DC-DC转换电路