測(cè)量和控制所需的超低功率無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的激增，再加上新型能量收集技術(shù)的運(yùn)用，使得由局部環(huán)境能量而非電池供電的全自主型系統(tǒng)成為可能。利用環(huán)境或“免費(fèi)”能量來(lái)為無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)供電是富有吸引力的，因?yàn)樗軌驅(qū)﹄姵鼗驅(qū)Ь�(xiàn)供電提供補(bǔ)充、甚至完全無(wú)需使用電池或供電導(dǎo)線(xiàn)。當(dāng)更換或檢修電池存在不便、費(fèi)用昂貴或危險(xiǎn)之時(shí)，這顯然是一大優(yōu)勢(shì)。
而且，完全取消供電導(dǎo)線(xiàn)還使大規(guī)模擴(kuò)展監(jiān)視與控制系統(tǒng)變得輕而易舉。能量收集無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)簡(jiǎn)化了眾多領(lǐng)域中的安裝和維護(hù)工作，例如：樓宇自動(dòng)化、無(wú)線(xiàn) / 自動(dòng)化儀表計(jì)量和前瞻性維護(hù)，以及諸多其他的工業(yè)、軍事、汽車(chē)和消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用。
能量收集的好處是顯而易見(jiàn)的，不過(guò)，有效的能量收集系統(tǒng)需要使用智能型的電源管理方案，以把微弱的免費(fèi)能量轉(zhuǎn)換為一種無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)可以使用的形式。
歸根到底是占空比的問(wèn)題
許多無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)的平均功率消耗非常之低，從而使其成為可利用能量收集技術(shù)進(jìn)行供電的主要候選對(duì)象。很多傳感器節(jié)點(diǎn)用于監(jiān)視緩慢變化的物理量。所以可以不經(jīng)常進(jìn)行測(cè)量，也不需要經(jīng)常發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)是以非常低的占空比工作的。相應(yīng)地，平均功率需求也很低。
例如：若一個(gè)傳感器系統(tǒng)處于喚醒狀態(tài)時(shí)的需要 3.3V/30mA (100mW) 的功率，但在每秒時(shí)間里只運(yùn)行 10ms，那么其所需的平均功率僅為 1mW，假定在傳送突發(fā)的間隔期間不工作時(shí)，傳感器系統(tǒng)電流降至數(shù) μA。倘若這個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器只是每分鐘 (而不是每秒鐘) 進(jìn)行一次采樣和傳送，則平均功率將驟降至 20μW 以下。由于大多數(shù)形式的能量收集均提供非常小的穩(wěn)態(tài)功率 (通常只有幾 mW，有時(shí)甚至僅幾 μW)，因此這種功率需求量的差異是很重要的。應(yīng)用所需的平均功率越低，就越有可能采用收集能量來(lái)供電。
能量收集源
可供收集的最常見(jiàn)能量源是振動(dòng) (或運(yùn)動(dòng))、光和熱。用于所有這些能量源的換能器都具有以下的共同特性：
它們的電輸出未經(jīng)穩(wěn)壓且不適合直接用于給電子電路供電
它們可能無(wú)法提供一個(gè)連續(xù)和不間斷的電源
它們往往只產(chǎn)生非常低的平均輸出功率 (通常在 10μW 至 10mW)
如果想把此類(lèi)能量源用于給無(wú)線(xiàn)傳感器或其他電子線(xiàn)路供電，就必需針對(duì)上述特性進(jìn)行明智而審慎的電源管理。
電源管理：迄今為止在能量收集中仍然缺失的一環(huán)
由收集能量供電的典型無(wú)線(xiàn)傳感器系統(tǒng)可分解為 5 個(gè)基本構(gòu)件，如圖 1 所示。除了電源管理構(gòu)件之外，所有這些構(gòu)件成都已經(jīng)用了有一段時(shí)間。比如：運(yùn)行功率僅數(shù) μW 的微處理器以及功耗同樣非常之低、具成本效益的小型射頻 (RF) 發(fā)送器和收發(fā)器已被廣泛使用。低功率的模擬和數(shù)字傳感器也是無(wú)處不在。
圖 1：典型的無(wú)線(xiàn)傳感器方框圖
在實(shí)現(xiàn)這種能量收集系統(tǒng)鏈路時(shí)，缺失的一環(huán)始終是可以靠一個(gè)或多個(gè)常見(jiàn)免費(fèi)能源工作的功率轉(zhuǎn)換器 / 電源管理構(gòu)件。能量收集的理想電源管理解決方案應(yīng)具有小巧和易用的特點(diǎn)，在依靠由常見(jiàn)的能量收集源產(chǎn)生的異常高或低電壓工作時(shí)良好地運(yùn)行，并在理想的情況下提供與源阻抗的上佳負(fù)載匹配以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的功率傳輸。電源管理器本身在管理累積能量時(shí)所需消耗的電流必須非常小，且應(yīng)在使用極少分立組件的情況下產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。
采用 3mm x 4mm x 0.75mm 12 引腳 DFN 封裝或 16 引腳 SSOP 封裝的LTC3108 解決了超低輸入電壓應(yīng)用的能量收集問(wèn)題。該器件提供了一款緊湊、簡(jiǎn)單和高度集成的單片式電源管理解決方案，能在輸入電壓低至 20mV 的情況下正常運(yùn)作。憑借這種獨(dú)特的能力，LTC3108 可利用一個(gè)熱電發(fā)生器 (TEG) 來(lái)為無(wú)線(xiàn)傳感器供電，并從小至 1ºC 的溫度差 (ΔT) 收集能量。采用一個(gè)現(xiàn)成有售的小型 (6mm x 6mm) 升壓變壓器和少量的低成本電容器，該器件即可提供用于給當(dāng)今的無(wú)線(xiàn)傳感器電子線(xiàn)路供電所需的穩(wěn)定輸出電壓。
LTC3108 采用一個(gè)小的升壓型變壓器和一個(gè)內(nèi)部 MOSFET 形成一個(gè)諧振振蕩器，可依靠非常低的輸入電壓來(lái)工作。變壓器的升壓比為 1:100 時(shí)，該轉(zhuǎn)換器能以低至 20mV 的輸入電壓?jiǎn)?dòng)。變壓器的副端繞組向充電泵和整流器電路饋送電壓，此電壓隨后用于給該 IC 供電 (通過(guò) VAUX 引腳)，并給輸出電容器充電。2.2V LDO的輸出設(shè)計(jì)成首先進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，以盡快給一個(gè)低功率微處理器供電。然后，將主輸出電容器充電至由 VS1 和 VS2 引腳設(shè)置的電壓 (2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V)，用于給傳感器、模擬電路、 RF 收發(fā)器供電，甚至給超級(jí)電容器或電池充電。當(dāng)無(wú)線(xiàn)傳感器工作并發(fā)送數(shù)據(jù)因而出現(xiàn)低占空比負(fù)載脈沖時(shí)，VOUT存儲(chǔ)電容器提供所需的突發(fā)能量。另外還提供了一個(gè)可由主機(jī)輕松加以控制的開(kāi)關(guān)輸出 (VOUT2)，以給不具備停機(jī)或低功率睡眠模式的電路供電。該器件具有一個(gè)電源良好輸出，用于在主輸出電壓接近其穩(wěn)定值時(shí)向主機(jī)發(fā)出警示信號(hào)。圖 2 示出了 LTC3108 的方框圖。LTC3108-1版本的器件除了提供一組不同的可選輸出電壓 (2.5V、3.0V、3.7V 或 4.5V) 以外，其他則與 LTC3108 完全相同。
圖 2：LTC3108 的方框圖
一旦VOUT 充電并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，那么所收集的電流就被導(dǎo)向 VSTORE 引腳，以給一個(gè)可任選的大型存儲(chǔ)電容器或可再充電電池充電。如果能量收集電源是間歇性的，那么這個(gè)存儲(chǔ)元件就可用來(lái)保持穩(wěn)壓狀態(tài)并給系統(tǒng)供電。上電及斷電期間的輸出電壓排序可見(jiàn)于圖 3。VAUX 引腳上的一個(gè)并聯(lián)穩(wěn)壓器可防止VSTORE 被充電至 5.3V 以上。
圖 3：上電及斷電期間的電壓排序
采用一個(gè)邊長(zhǎng) 40mm 的標(biāo)準(zhǔn)方形 TEG，LTC3108 能依靠低至 1ºC 的 ΔT 來(lái)工作，從而使其適用于眾多的能量收集應(yīng)用。在ΔT 較高的情況下，LTC3108 將能夠提供一個(gè)較高的平均輸出電流。
熱電發(fā)生器的基本原理
熱電發(fā)生器 (TEG) 其實(shí)就是熱電模塊，它利用塞貝克 (Seebeck) 效應(yīng)將設(shè)備上的溫度差 (以及由于溫度差所導(dǎo)致的流過(guò)設(shè)備的熱量) 轉(zhuǎn)換為電壓。這一現(xiàn)象的逆過(guò)程 (被稱(chēng)為帕爾帖 [Peltier] 效應(yīng)) 則是通過(guò)施加電壓而產(chǎn)生溫度差，并為熱電冷卻器 (TEC) 所慣用。輸出電壓的極性取決于 TEG 兩端溫度差的極性。如果 TEG 的熱端和冷端掉換過(guò)來(lái)，那么輸出電壓就將改變極性。
TEG 由采用電串聯(lián)連接并夾在兩塊導(dǎo)熱陶瓷板之間的N型摻雜和P型摻雜半導(dǎo)體芯片對(duì)或偶所構(gòu)成。最常用的半導(dǎo)體材料是碲化鉍 (Bi2Te3)。圖 4 示出了 TEG 的機(jī)械構(gòu)造。
圖 4：TEG 的構(gòu)造
有些制造商將 TEG 與 TEC 區(qū)分開(kāi)來(lái)。當(dāng)作為 TEG 銷(xiāo)售時(shí)，通常意味著用于裝配模塊內(nèi)部電偶的焊料具有較高的熔點(diǎn)，故可在較高的溫度和溫差條件下工作，因而能夠提供高于標(biāo)準(zhǔn) TEC (其最大溫度通常限制在 125ºC) 的輸出功率。大多數(shù)低功率能量收集應(yīng)用不會(huì)遇到高溫或高溫差的情況。
TEG 的尺寸和電氣規(guī)格多種多樣。大多數(shù)常見(jiàn)的模塊都是方形的，每邊的長(zhǎng)度從10mm到50mm不等，厚度一般為2mm ~ 5mm。
對(duì)于一個(gè)給定的 ΔT (與塞貝克系數(shù)成比例)，TEG 將產(chǎn)生多大的電壓受控于諸多的變量。其輸出電壓為 10mV/K 至 50mV/K 溫差 (取決于電偶的數(shù)目)，并具有 0.5Ω 至 5Ω 的源電阻。一般而言，對(duì)于給定的 ΔT，TEG 所擁有的串聯(lián)電偶越多，其輸出電壓就越高。然而，增加電偶的數(shù)目也會(huì)增加 TEG 的串聯(lián)電阻，從而導(dǎo)致在加載時(shí)產(chǎn)生較大的壓降。制造商可以通過(guò)調(diào)整個(gè)別半導(dǎo)體芯片的尺寸和設(shè)計(jì)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，以在保持低電阻的同時(shí)仍然提供較高的輸出電壓。
負(fù)載匹配
為了從任意電壓電源吸取可獲得的最大功率，負(fù)載電阻必須與電源的內(nèi)阻相匹配。圖 5 中的實(shí)例說(shuō)明了這一點(diǎn)，此處，一個(gè)具有 100mV 開(kāi)路電壓和 1Ω 或 3Ω 源電阻的電壓電源用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載電阻器。圖 6 示出了輸送至負(fù)載的功率與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系。在每一根曲線(xiàn)中都可以看出：當(dāng)負(fù)載電阻與源電阻匹配時(shí)，輸送至負(fù)載的功率達(dá)到最大。不過(guò)，當(dāng)源電阻低于負(fù)載電阻時(shí)，輸送的功率也許并非可能的最大值，而是比一個(gè)較高的源電阻驅(qū)動(dòng)一個(gè)匹配負(fù)載時(shí) (本例中為 0.8mW) 更高 (本例中為 1.9mW)，注意到這一點(diǎn)同樣很重要。選擇具有最低電阻的 TEG 可提供最大輸出功率的原因即在于此。
圖 5：電壓電源驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載的簡(jiǎn)化原理圖
圖 6：電源的輸出功率與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系
LTC3108 給輸入電源提供了一個(gè)約 2.5Ω 的最小輸入電阻。(請(qǐng)注意：這是轉(zhuǎn)換器而不是 IC 本身的輸入電阻。) 這處于大多數(shù) TEG 源電阻范圍的中間，從而為實(shí)現(xiàn)近乎最佳的功率傳輸提供了優(yōu)良的負(fù)載匹配。LTC3108 的設(shè)計(jì)是：當(dāng) VIN 下降時(shí)，輸入電阻增大 (如圖 7 所示)。該特性令 LTC3108 能夠很好地適應(yīng)具有不同源電阻的 TEG。
圖 7：LTC3108 的輸入電阻與 VIN 的關(guān)系曲線(xiàn) (采用 1:100 匝數(shù)比)
由于轉(zhuǎn)換器的輸入電阻相當(dāng)?shù)停虼藷o(wú)論負(fù)載大小如何它都將從電源吸收電流。以圖 8 所示為例：當(dāng)采用一個(gè) 100mV 輸入時(shí)，轉(zhuǎn)換器從電源吸收約 37mA 的電流。不可把該輸入電流誤當(dāng)作 IC 本身所需的為其內(nèi)部電路供電的 6μA 靜態(tài)電流 (取自 VAUX)。當(dāng)在極低電壓條件下啟動(dòng)或依靠一個(gè)存儲(chǔ)電容器來(lái)工作時(shí)，低靜態(tài)電流的意義最為重大。
圖 8：LTC3108 的輸入電流與 VIN 的關(guān)系曲線(xiàn) (采用 1:100 匝數(shù)比)
選擇用于發(fā)電的 TEG
大多數(shù)熱電模塊制造商均未提供有關(guān)輸出電壓或輸出功率與溫差之間關(guān)系的數(shù)據(jù)，而這恰恰是熱能收集器設(shè)計(jì)人員所希望了解的。始終提供的兩個(gè)參數(shù)是 VMAX 和 IMAX，即某個(gè)特定模塊的最大工作電壓和最大工作電流 (當(dāng)在某種加熱 / 冷卻應(yīng)用中處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí))。
在選擇針對(duì)發(fā)電用途的熱電模塊時(shí)，上佳的經(jīng)驗(yàn)法則是在給定的尺寸下選擇具有最大 (VMAX • IMAX) 乘積的模塊。這通常將提供最高的 TEG 輸出電壓和最低的源電阻。對(duì)此經(jīng)驗(yàn)法則有一條附加說(shuō)明，這就是散熱器的尺寸必須根據(jù) TEG 的尺寸來(lái)確定。較大的 TEG 需要大一些的散熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的性能。需要注意的是，制造商如果提供了電阻參數(shù)的話(huà)，那么指的是 AC 電阻，這是因?yàn)樗鼰o(wú)法使用 DC 電流以傳統(tǒng)的方式來(lái)測(cè)量 (DC 電流會(huì)引發(fā) Seebeck 電壓，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的電阻讀數(shù))。圖 9 是一幅曲線(xiàn)圖，給出了采用 13 種不同的 TEG 時(shí) (固定 ΔT = 5ºC) LTC3108 的功率輸出與每個(gè)模塊的 (VMAX • IMAX) 乘積的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn)，當(dāng) VI 乘積較高時(shí)，LTC3108 提供的輸出功率通常也較高。
圖 9：LTC3108 輸出功率與具有不同 V 和 I 乘積的 TEG 關(guān)系曲線(xiàn)
圖 10 示出了一個(gè)邊長(zhǎng) 30mm 的方形 TEG 在 1ºC 至 20ºC 的 ΔT 范圍內(nèi)輸出電壓及最大輸出功率能力。在該 ΔT 范圍內(nèi)，輸出功率從幾百 μW 到幾十 mW 不等。需要指出的是：該功率曲線(xiàn)是在假設(shè)擁有理想的負(fù)載匹配且無(wú)轉(zhuǎn)換損耗的情況下得出的。最后，在利用 LTC3108 提升至一個(gè)較高電壓之后可獲得的輸出功率將由于功率轉(zhuǎn)換損耗的原因而低于圖中示出的數(shù)值。LTC3108 的產(chǎn)品手冊(cè)中給出了幾幅在多種不同工作條件下可提供輸出功率的曲線(xiàn)圖。
圖 10：典型 TEG 的開(kāi)路電壓及最大功率輸出
就給定應(yīng)用而言，所需要的 TEG 尺寸取決于可用的最小 ΔT、負(fù)載所需的最大平均功率、以及用于將 TEG 的一端保持于環(huán)境溫度的散熱器的熱阻。LTC3108 的最大功率輸出位于 15µW/K-cm2 至 30µW/K-cm2 之間，具體數(shù)值取決于所選擇的變壓器匝數(shù)比和特定的 TEG。表1 羅列了一些推薦使用的 TEG 器件型號(hào)。
表1 :推薦使用的 TEG器件
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15mm
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20mm
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30mm
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40mm
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CUI Inc (Distributor)
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CP60133
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CP60233
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CP60333
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CP85438
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Ferrotec
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9501/031/030 B
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9501/071/040 B
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9500/097/090 B
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9500/127/100 B
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Fujitaka
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FPH13106NC
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FPH17106NC
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FPH17108AC
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FPH112708AC
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Kryotherm
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TGM-127-1.0-0.8
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LCB-127-1.4-1.15
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Laird Technology
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PT6.7.F2.3030.W6
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PT8.12.F2.4040.TA.W6
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Marlow Industries
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RC3-8-01
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RC6-6-01
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RC12-8-01LS
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Tellurex
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C2-15-0405
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C2-20-0409
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C2-30-1505
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C2-40-1509
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TE Technology
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TE-31-1.0-1.3
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TE-31-1.4-1.15
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TE-71-1.4-1.15
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TE-127-1.4-1.05
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需要考慮的熱量問(wèn)題
當(dāng)把一個(gè) TEG 置于兩個(gè)處于不同溫度的面之間時(shí)，在加入 TEG 之前的“開(kāi)路”溫差高于 TEG 放置到位時(shí)其上的溫差。這是由于 TEG 本身在其陶瓷板之間具有一個(gè)相當(dāng)?shù)偷臒嶙?(通常為 1ºC/W 至 10ºC/W) 所致。
考慮如下的例子，一部大型機(jī)器在周?chē)h(huán)境溫度為 25ºC 以及表面溫度為 35ºC 的情況下工作。當(dāng)將一個(gè) TEG 連接到這臺(tái)機(jī)器時(shí)，必須同時(shí)在 TEG 溫度較低 (環(huán)境溫度) 的一端加上一個(gè)散熱器，否則整個(gè) TEG 將升溫至接近 35ºC，從而消除掉所有的溫差。需要牢記一點(diǎn)：電輸出功率正是產(chǎn)生自流過(guò) TEG 的熱量。
在該例中，散熱器和 TEG 的熱阻確定了總溫差 (ΔT) 的哪一部分存在于 TEG 的兩端。該系統(tǒng)的簡(jiǎn)單熱模型示于圖 11。假定熱源 (RS) 的熱阻可忽略不計(jì)，如果 TEG 的熱阻 (RTEG) 為 2ºC/W，散熱器的熱阻為 8ºC/W，那么落在 TEG 上的 ΔT 僅為 2ºC。在 TEG 上的溫度只有區(qū)區(qū)幾 ºC 的情況下，其輸出電壓很低，此時(shí) LTC3108 能夠依靠超低輸入電壓工作的重要性就凸顯出來(lái)了。
圖 11：TEG 和散熱器的熱阻模型
請(qǐng)注意：由于較大的 TEG 其表面積增大了，所以大型 TEG 通常比小型 TEG 熱阻低。因此，在那些于 TEG 的一端采用了一個(gè)較小散熱器的應(yīng)用中，較大的 TEG 上的 ΔT 有可能小于較小的 TEG，故而未必會(huì)提供更多的輸出功率。無(wú)論在何種情況下，都應(yīng)采用具有盡可能低熱阻的散熱器，以通過(guò)最大限度地提高 TEG 上的溫度差來(lái)實(shí)現(xiàn)電輸出的最大化。
選擇最佳的變壓器匝數(shù)比
對(duì)于那些可提供較高溫度差 (即較高的輸入電壓) 的應(yīng)用，可以采用一個(gè)匝數(shù)比較低 (例如：1:50 或 1:20) 的變壓器以提供較高的輸出電流能力。作為經(jīng)驗(yàn)法則，假如最小輸入電壓在加載時(shí)至少為 50mV，則建議采用 1:50 的匝數(shù)比。倘若最小輸入電壓至少為 150mV，那么就建議使用 1:20 的匝數(shù)比。文中討論的所有匝數(shù)比在市面上均有現(xiàn)成可售的 Coilcraft 器件 (包括特定器件型號(hào)在內(nèi)的更多信息請(qǐng)查閱 LTC3108 的產(chǎn)品手冊(cè))。圖 12 中的曲線(xiàn)示出了在采用兩種不同的變壓器升壓比及兩種不同尺寸的 TEG 時(shí)，LTC3108 在某一溫度差范圍內(nèi)的輸出功率能力。
圖 12：對(duì)于兩種 TEG 尺寸及兩種變壓器匝數(shù)比的 LTC3108 輸出功率
與 ∆T 的關(guān)系曲線(xiàn) (VOUT = 5V)
脈沖負(fù)載應(yīng)用
由 TEG 供電的典型無(wú)線(xiàn)傳感器應(yīng)用如圖 13 所示。在這個(gè)例子中，TEG 上至少有 2ºC 的溫差可用，因此選擇 1:50 的變壓器升壓比，以在 2ºC 至 10ºC ΔT 的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高的輸出功率。當(dāng)采用圖示的 TEG (邊長(zhǎng) 40mm 的方形器件，具有 1.25Ω 的電阻) 時(shí)，該電路能夠依靠低至 2ºC 的溫差啟動(dòng)并對(duì) VOUT 電容器進(jìn)行充電。請(qǐng)注意，在轉(zhuǎn)換器的輸入端上跨接了一個(gè)大容量的去耦電容器。在輸入電壓與 TEG 之間提供良好的去耦可最大限度地減小輸入紋波、提升輸出功率能力并在盡可能低的ΔT 條件下啟動(dòng)。
圖 13：由一個(gè) TEG 來(lái)供電的無(wú)線(xiàn)傳感器應(yīng)用
在圖 13 所示的例子中，2.2V LDO 輸出負(fù)責(zé)給微處理器供電，而 VOUT 利用VS1 和 VS2 引腳設(shè)置為 3.3V，以給 RF 發(fā)送器供電。開(kāi)關(guān) VOUT (VOUT2) 由微處理器控制，以?xún)H在需要時(shí)給 3.3V 傳感器供電。當(dāng)VOUT 達(dá)到其穩(wěn)定值的 93% 時(shí)，PGOOD 輸出將向微處理器發(fā)出指示信號(hào)。為了在輸入電壓不存在時(shí)保持運(yùn)作，在后臺(tái)從 VSTORE 引腳給 0.1F 存儲(chǔ)電容器充電。這個(gè)電容器可以一路充電至高達(dá) VAUX 并聯(lián)穩(wěn)壓器的 5.25V 箝位電壓。如果失去了輸入電壓電源，那么就自動(dòng)地由存儲(chǔ)電容器提供能量，以給該 IC 供電，并保持 VLDO 和 VOUT 的穩(wěn)定。
在本例中，根據(jù)下面的公式來(lái)確定 COUT 存儲(chǔ)電容器的大小，以在 10ms 的持續(xù)時(shí)間內(nèi)支持15mA 的總負(fù)載脈沖，從而在負(fù)載脈沖期間允許 VOUT 有 0.33V 的下降。請(qǐng)注意，IPULSE 包括 VLDO 和 VOUT2 以及 VOUT 上的負(fù)載，但可用的充電電流未包括在內(nèi)，因?yàn)榕c負(fù)載相比，它可能非常小。
COUT(μF) = IPULSE (mA) • tPULSE (ms) / dVOUT
考慮到這些要求，COUT 至少須為 454μF，因此選擇了一個(gè) 470μF 的電容器。
采用所示的 TEG，在 ΔT 為 5ºC 時(shí)工作，那么 LTC3108 在 3.3V 時(shí)可提供的平均充電電流約為 560μA。利用這些數(shù)據(jù)，我們可以計(jì)算出，首次給 VOUT 存儲(chǔ)電容器充電需要花多長(zhǎng)時(shí)間，以及該電路能以多大的頻度發(fā)送脈沖。假定在充電階段中 VLDO 和 VOUT 上的負(fù)載非常小 (相對(duì)于 560μA)，那么 VOUT 最初的充電時(shí)間為：
tCHARGE = 470μF • 3.3V / 560μA = 2.77s
假定發(fā)送脈沖之間的負(fù)載電流非常小，那么一種簡(jiǎn)單估計(jì)最大容許發(fā)送速率的方法是用可從 LTC3108 獲得的平均輸出功率 (在本例情況下為 3.3V • 560μA = 1.85mW) 除以脈沖期間所需的功率 (在本例情況下為 3.3V • 15mA = 49.5mW)。收集器能夠支持的最大占空比為 1.85mW / 49.5mW = 0.037 或 3.7%。因此最大脈沖發(fā)送速率為 0.01 / 0.037 = 0.27s 或約為 3.7Hz。
請(qǐng)注意，如果平均負(fù)載電流 (如發(fā)送速率所決定的那樣) 是收集器所能支持的最大電流，那么將沒(méi)有剩余的收集能量用于給存儲(chǔ)電容器充電 (如果需要存儲(chǔ)能力的話(huà))。因此，在這個(gè)例子中，發(fā)送速率設(shè)定為 2Hz，從而留出幾乎一半的可用能量給存儲(chǔ)電容器充電。在該場(chǎng)合中，VSTORE 電容器提供的存儲(chǔ)時(shí)間利用以下公式來(lái)計(jì)算：
tSTORE = 0.1F • (5.25V - 3.3V) / (6μA + 15mA • 0.01 / 0.5) = 637s
上述計(jì)算包括 LTC3108 所需的6μA靜態(tài)電流，而且假定發(fā)送脈沖之間的負(fù)載極小。在此場(chǎng)合中，一旦存儲(chǔ)電容器達(dá)到滿(mǎn)充電狀態(tài)，它就能以 2Hz 的發(fā)送速率支持負(fù)載達(dá) 637s 的時(shí)間，或支持總共 1274 個(gè)發(fā)送脈沖。
利用后備電池的超低功率應(yīng)用
有些應(yīng)用或許沒(méi)有脈沖負(fù)載，但卻可能需要連續(xù)工作。傳統(tǒng)上，此類(lèi)應(yīng)用由一個(gè)小型主電池 (比如：3V幣形鋰電池) 來(lái)供電。假如功率需求足夠低，那么這些應(yīng)用就能夠利用熱能收集來(lái)連續(xù)供電，或者可以借助熱能收集來(lái)極大地延長(zhǎng)電池的使用壽命，從而降低維護(hù)成本。
圖 14 示出了一種利用后備電池來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)連續(xù)負(fù)載的能量收集應(yīng)用。在該例中，所有的電子線(xiàn)路均全部由 2.2V LDO 輸出來(lái)供電，且總電流消耗小于 200μA，只要 TEG 上至少存在 3ºC 的溫度差，LTC3108 就能連續(xù)地給負(fù)載供電。在這些條件下，電池上沒(méi)有負(fù)載。當(dāng)可用的收集能量不夠時(shí)，3V鋰電池將無(wú)縫地“接管”并給負(fù)載供電。
圖 14：具有后備電池的能量收集器
能量存儲(chǔ)替代方案
對(duì)于那些選用可再充電電池來(lái)替代主電池以提供備份或能量存儲(chǔ)的應(yīng)用，圖 14 中的二極管可以去掉，并用可再充電的鎳電池或鋰離子電池 (包括新型可再充電薄膜鋰電池) 來(lái)替換鋰電池。如果采用的是可再充電的鎳電池，則其自放電電流必須小于 LTC3108 所能供應(yīng)的平均充電電流。如果選用鋰離子電池，則需要增設(shè)額外的電路以保護(hù)其免遭過(guò)度充電和過(guò)度放電的損壞。另外還有一種存儲(chǔ)替代方案就是具有 5.25V 額定電壓的超級(jí)電容器，例如：Cooper-Bussman PB-5ROH104-R。與可再充電電池相比，超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)在于擁有更多的充 / 放電次數(shù)，而缺點(diǎn)則是能量密度低得多。
熱量收集應(yīng)用需要自動(dòng)極性
有些應(yīng)用 (例如：無(wú)線(xiàn) HVAC 傳感器或地?zé)峁╇姷膫鞲衅? 對(duì)能量收集功率轉(zhuǎn)換器提出了另一種獨(dú)特的挑戰(zhàn)。此類(lèi)應(yīng)用要求能量收集電源管理器不僅能夠依靠非常低的輸入電壓來(lái)工作，而且能以任一極性工作，因?yàn)?TEG 上的 ∆T 的極性可能改變。這是一個(gè)特別棘手的難題，而且，在幾十或幾百 mV 的電壓條件下，二極管橋式整流器不是合適的選項(xiàng)。
LTC3109 是唯一適合克服這種從任一極性的能量源收集能量之挑戰(zhàn)的器件。LTC3109 運(yùn)用具 1:100 升壓比的變壓器，能以低至 ±30mV 的輸入電壓工作。LTC3109 與 LTC3108 的功能相同，包括一個(gè) LDO、一個(gè)數(shù)字可編程的輸出電壓、一個(gè)電源良好輸出、一個(gè)開(kāi)關(guān)輸出和一個(gè)能量存儲(chǔ)輸出。LTC3109 采用 4mm x 4mm 20 引腳 QFN 封裝或 20 引腳 SSOP 封裝。圖 15 顯示了 LTC3109 在自動(dòng)極性應(yīng)用中的一個(gè)典型例子。如圖 16 所示，該轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線(xiàn)說(shuō)明，該器件在任一極性的輸入電壓時(shí)，都能同樣良好地工作。
圖 15：自動(dòng)極性能量收集器供電的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)
圖 16：圖 15 中轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線(xiàn)
LTC3109 也可以針對(duì)單極性操作進(jìn)行配置，采用單個(gè)變壓器 (與 LTC3108 相似) 來(lái)適應(yīng)那些需要盡可能低的啟動(dòng)電壓和盡可能高的輸出電流的應(yīng)用。圖 17 中示出的電路可在僅 15mV 的電壓下啟動(dòng)，該電壓是采用所示的 TEG 在小于 1ºC 的溫差條件下產(chǎn)生的。在10ºC 溫差時(shí)，它能夠提供穩(wěn)定的 5V 電壓 (在 0.74mA 電流下)，從而可輸送 3.7mW 的已調(diào)穩(wěn)態(tài)輸出功率。在相同的條件下，這幾乎達(dá)到了 LTC3108 輸出功率的兩倍，如圖 18 所示。
圖 17：采用 LTC3108 的單極性轉(zhuǎn)換器能在僅 15mV 的電壓條件下啟動(dòng)
圖 18：LTC3108 和 LTC3109輸出功率的比較
需要注意：在單極性配置中，LTC3109 對(duì) TEG 呈現(xiàn)出約 1Ω 的負(fù)載電阻，因此應(yīng)選擇一個(gè)具有非常低源電阻的 TEG 以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的負(fù)載匹配，否則在單極性配置中使用 LTC3109 將毫無(wú)優(yōu)勢(shì)可言，這一點(diǎn)很重要。本例中所采用的 TEG 具有 1.0Ω 的標(biāo)稱(chēng)源電阻，旨在實(shí)現(xiàn)最佳的功率傳輸。
結(jié)論
LTC3108 和 LTC3109 能獨(dú)特地在輸入電壓低至 20mV 時(shí)工作，或者以非常低的任一極性電壓工作，提供了簡(jiǎn)單和有效的電源管理解決方案，能實(shí)現(xiàn)熱能收集，以利用常見(jiàn)的熱電器件為無(wú)線(xiàn)傳感器和其他低功率應(yīng)用供電。這些產(chǎn)品采用 12 引腳 DFN 或 16 引腳 SSOP 封裝 (LTC3108 和 LTC3108-1) 和 20 引腳 QFN 或 SSOP 封裝 (LTC3109)，提供了前所未有的低電壓能力和高集成度，可最大限度地縮減解決方案占板面積。LTC3108、LTC3108-1 和 LTC3109 可與現(xiàn)有的低功率單元式部件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，以支持自主型無(wú)線(xiàn)傳感器并延長(zhǎng)關(guān)鍵后備電池應(yīng)用中的電池使用壽命。 |
