背景

測(cè)量和控制所需的超低功率無(wú)線傳感器節(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)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電是很有吸引力，因?yàn)樗�能夠�(qū)﹄姵鼗驅(qū)Ь�供電提供補(bǔ)充、甚至完全無(wú)需使用電池或供電導(dǎo)線。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)，這顯然是有好處的。

許多無(wú)線傳感器系統(tǒng)消耗非常低的平均功率，從而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：如果一個(gè)傳感器系統(tǒng)處于喚醒狀態(tài)時(shí)需要 3.3V/30mA (100mW)，但每秒鐘只有 10ms 在工作，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。這差異是十分重要，因?yàn)榇蠖鄶?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，某些場(chǎng)合甚至僅為幾 μW)。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：

l 它們的電輸出未經(jīng)穩(wěn)壓，并且不適合直接用于給電子電路供電

l 它們可能無(wú)法提供一個(gè)連續(xù)和不間斷的電源

l 它們往往只產(chǎn)生非常低的平均輸出功率 (通常大約為 10μW 至 10mW)

如果想把此類(lèi)能量源用于給無(wú)線傳感器或其他電子線路供電，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

由收集能量供電的典型無(wú)線傳感器系統(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 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)線傳感器系統(tǒng)配置

面向能量收集的理想電源管理解決方案應(yīng)具有小巧、易用和工作性能良好的特性，同時(shí)能夠采用由常見(jiàn)能量收集源所產(chǎn)生的異常高或異常低電壓來(lái)運(yùn)作，并且以理想的方式提供與源阻抗的良好負(fù)載匹配，可實(shí)現(xiàn)最佳的功率傳輸。電源管理器本身必須只需要非常微小的電流來(lái)管理累積的能量，并使用極少的分立組件來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。

有些應(yīng)用 (比如：無(wú)線 HVAC 傳感器或地?zé)峁╇娦蛡鞲衅? 則給能量收集電源轉(zhuǎn)換器提出了另一項(xiàng)獨(dú)特的挑戰(zhàn)。此類(lèi)應(yīng)用要求能量收集電源管理器能夠依靠一個(gè)非常低、而且是任一極性的輸入電壓來(lái)運(yùn)作，這是因?yàn)闊犭姲l(fā)生器 (TEG) 兩端之 ΔT 的極性是會(huì)變化的。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，二極管橋式整流器并不是可選的方案。

采用 4mm x 4mm x 0.75mm 20 引腳 QFN 封裝或 20 引腳 SSOP 封裝的 LTC3109 可解決任一極性之超低輸入電壓源的能量收集問(wèn)題。該器件提供了一款緊湊、簡(jiǎn)單、高度集成的單片式電源管理解決方案，適合采用低至 ±30mV 的輸入電壓來(lái)運(yùn)作。這種獨(dú)特的能力使其可以采用一個(gè)熱電發(fā)生器 (TEG) 來(lái)給無(wú)線傳感器供電，并從小至 2ºC 的溫差 (ΔT) 收集能量。該器件采用了兩個(gè)小型 (6mm x 6mm) 的現(xiàn)成有售升壓變壓器和少量的低成本電容器，可提供為當(dāng)今的無(wú)線傳感器電子線路供電所需的穩(wěn)定輸出電壓。

LTC3109 采用這些升壓變壓器和內(nèi)部 MOSFET 形成了一個(gè)諧振振蕩器，該振蕩器能夠采用非常低的輸入電壓運(yùn)作。利用一個(gè) 1:100 的變壓器匝數(shù)比，此轉(zhuǎn)換器能依靠低至 30mV 的輸入實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)，這與輸入的極性無(wú)關(guān)。變壓器副端繞組負(fù)責(zé)為一個(gè)充電泵和整流器電路饋電，這用于給 IC 供電 (通過(guò) VAUX 引腳)及對(duì)輸出電容器進(jìn)行充電。2.2V LDO 輸出被設(shè)計(jì)為首先處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，以盡快地為一個(gè)低功率微處理器供電。之后，主輸出電容器被充電至由 VS1 和 VS2 引腳設(shè)置的電壓 (2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V)，以給傳感器、模擬電路、RF 收發(fā)器供電，甚至給一個(gè)超級(jí)電容器或電池充電。當(dāng)無(wú)線傳感器處于運(yùn)行狀態(tài)并發(fā)送信號(hào)時(shí)，VOUT 存儲(chǔ)電容器將提供低占空比負(fù)載脈沖期間所需的突發(fā)能量。另外，還提供了一個(gè)可由主機(jī)輕松控制的開(kāi)關(guān)輸出 (VOUT2)，用于為那些沒(méi)有停機(jī)或低功率睡眠模式的電路供電。該器件內(nèi)置了一個(gè)電源良好輸出，用以向主機(jī)發(fā)出“主輸出電壓接近其穩(wěn)定值”的提示信號(hào)。圖 2 示出了 LTC3109 的電路原理圖。