Gropp, A. (2011). Power supply unit for wireless sensor networks [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-43279
Energieautarke Funksensornetzwerke bestehen aus Netzwerkknoten, die die benötigte Energie entweder aus ihrer Umgebung oder von Batterien beziehen. Daher liegt das Hauptaugenmerk beim Betrieb von Sensorkonten auf deren Energieeffizienz. Durch einen hohen Wirkungsgrad erzielt man lange Batterielaufzeit beziehungsweise benötigt nur kleine Energieumsetzer. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Wirkungsgrad von Spannungswandlern für Funksensorknoten. Ziel ist die Entwicklung eines Energieversorgungssystems, das speziell auf die Anforderungen eines Sensorknotens zugeschnitten ist. Die wichtigsten Aspekte sind ein hoher Wirkungsgrad auch bei kleinen Ausgangsströmen, ein schnelles Ausregeln von Lastsprüngen und gleichzeitig eine flexible Erzeugung von auf- oder abwärts gewandelten Ausgangsspannungen. Kommerzielle Spannungsregler sind für hohe Ausgangsströme optimiert und weisen lediglich in diesem Bereich einen hohen Wirkungsgrad auf. Diese treten bei typischen Lastprofilen in Funksensoren jedoch nur für kurze Zeiträume auf. Weiters wird durch Verwendung eines Konzeptes zur Steuerung mehrerer Ein- und Ausgängen mittels einer einzigen Induktivität eine Erhöhung der Integrationsdichte und eine Kostenreduktion erreicht. Die Messergebnisse des diskret aufgebauten Prototypen validieren die Simulationsergebnisse und die erwartete Funktion des innovativen Reglerkonzeptes. Der Eigenstrombedarf der Schaltung wurde, im Vergleich zu kommerziellen Spannungsreglern, von 15 µA auf weniger als 1 µA reduziert. Diese Verbesserung wirkt sich vor allem bei kleinen Lasten aus und steigert den Wirkungsgrad enorm.<br />
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Self-sufficient wireless sensor networks consist of network nodes that are powered by either the environment using energy harvesters or by batteries. Hence, power efficiency is important for sensor nodes.<br />A high efficiency extends battery lifetime or reduces the size of energy harvesters. This thesis focuses on the power efficiency of voltage regulators used in wireless sensor nodes. The goal is to design a power supply unit that is fitted to the special requirements of a wireless sensor node. The most important aspects are high power efficiency even at low output currents, handling of fast load steps and a combined step-up and step-down operation. Off-the-shelf voltage regulators are optimized for high load currents which occur only during short time slots in typical load profiles of sensor nodes. Furthermore the regulator concept increases the integration density using a single inductor that supports multiple input and output channels. Due to the reduced size and the low off-chip component count, a cost reduction is achieved. Measurement results of the discretely implemented prototype confirm with simulation and expected function of the innovative switching regulator concept. When compared to off-the-shelf regulators, a reduction of the quiescent current from 15 µA to less than 1 µA was achieved. This enhancement has its highest impact at low output currents and gains power efficiency enormously.
