超低電壓能量收集器利用廢熱為無線傳感器供電

測(cè)量和控制所需的超低功率無線傳感器用量的激增，再加上新型能量采集技術(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)出現(xiàn)了。

在替換或維護(hù)電池不方便或危險(xiǎn)時(shí)，這顯然是有好處的。由收集能量供電的傳感器節(jié)點(diǎn)可以在樓宇自動(dòng)化、無線/自動(dòng)測(cè)量、前瞻性維護(hù)和其他很多工業(yè)、軍事、汽車和消費(fèi)類應(yīng)用中使用。能量收集的好處是顯而易見的，但是有效的能量收集系統(tǒng)需要智能電源管理電路，以將微量免費(fèi)能量轉(zhuǎn)換成無線傳感器系統(tǒng)可使用的形式。

歸根結(jié)底是占空比問題
很多無線傳感器系統(tǒng)消耗非常低的平均功率，從而成為由收集的能量供電的主要對(duì)象。因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)常常用來監(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，平均功率需求也很小。例如，如果一個(gè)傳感器系統(tǒng)在工作時(shí)需要3.3V/30mA(100mW)，但是每10s僅有10ms時(shí)間在工作，那么所需平均功率僅為0.1mW，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。

電源管理：迄今為止在能量收集中仍然缺失的一環(huán)
僅消耗μW功率的微處理器和模擬傳感器以及小型、低成本、低功率RF收發(fā)器得到了廣泛采用。在實(shí)現(xiàn)實(shí)際的能量收集系統(tǒng)時(shí)，缺失的一環(huán)始終是可以靠一個(gè)或多個(gè)常見免費(fèi)能源工作的電源轉(zhuǎn)換器/電源管理構(gòu)件。LTC3108能在輸入電壓低至20mV時(shí)啟動(dòng)，為熱能收集補(bǔ)上了缺失的這一環(huán)。LTC3108采用3mm×4mm×0.75mm 12引腳DFN或16引腳SSOP封裝，為用熱電發(fā)生器(TEG)，以低至1℃的溫度差(ΔT)給無線傳感器供電提供了一個(gè)緊湊、簡(jiǎn)單和高度集成的電源管理解決方案。

如圖1所示，LTC3108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。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)。變壓器的次級(jí)繞組向充電泵和整流器電路饋送電壓，然后給該IC供電，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)，以盡快給微處理器供電；然后，給主輸出電容器充電至由VS1和VS2引腳設(shè)定的電壓(2.35V、3.3V、4.1V或5.0V)，以給傳感器、模擬電路或RF收發(fā)器供電。當(dāng)無線傳感器工作并發(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，還提供一個(gè)開關(guān)輸出(VOUT2)，以給沒有停機(jī)或休眠模式的電路供電。一旦VOUT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，以給可選存儲(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)組件就可用來給系統(tǒng)供電。還有一個(gè)LTC3108-1版本的器件，除了提供一套不同的可選輸出電壓(2.5V、3.0V、3.7V或4.5V)以外，與LTC3108完全相同。

圖1  LTC3108方框圖

熱電發(fā)生器的基本原理
熱電發(fā)生器(TEG)其實(shí)就是逆向工作的熱電冷卻器(TEC)。熱電發(fā)生器應(yīng)用席貝克效應(yīng)(Seebeck Effect)，將設(shè)備(通過該設(shè)備產(chǎn)生熱量流動(dòng)) 上的溫度差轉(zhuǎn)換成電壓。輸出電壓的幅度和極性取決于 TEG 上溫度差的幅度和極性。如果 TEG的熱端和冷端掉換過來，那么輸出電壓就改變極性。TEG可以用一個(gè)受溫度影響的電壓源模型加一個(gè)串聯(lián)電阻(規(guī)定為AC電阻)來代表。

TEG的尺寸和電氣規(guī)格多種多樣。大多數(shù)模組都是方形的，每邊的長度從10～50mm不等，標(biāo)準(zhǔn)厚度為2～5mm。它們的開路輸出電壓視尺寸不同而不同，范圍為10～50mV/K。一般而言，對(duì)于給定的ΔT，較大的模組可提供較大的VOUT，但是有更高的AC阻抗和更低的熱阻。就給定應(yīng)用而言，所需要的TEG大小取決于可用的ΔT、負(fù)載需要的最大平均功率，以及用來冷卻TEG一側(cè)的散熱器熱阻。

為了從TEG抽取可獲得的最大功率，轉(zhuǎn)換器輸入阻抗必須相對(duì)于TEG AC電阻提供合理的負(fù)載匹配。LTC3108轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)約2.5Ω的輸入阻抗，這剛好在大多數(shù)TEG AC電阻(0.5～7.5Ω)范圍的中間。

需要考慮的熱量問題
當(dāng)在一個(gè)溫暖的表面放置TEG以收集能量時(shí)，必須給TEG溫度較低的一側(cè)增加散熱器，以允許熱量傳送到周圍空氣中。由于散熱器的熱阻，在TEG上呈現(xiàn)的ΔT將低于溫暖表面和環(huán)境之間的溫度差，因?yàn)門EG具有相對(duì)較低的熱阻(典型情況下在1～20℃/W范圍內(nèi))。

如圖2所示的簡(jiǎn)單熱模型，考慮如下例子，一個(gè)大型機(jī)器在周圍環(huán)境溫度為25℃、表面溫度為35℃的情況下工作。將一個(gè)TEG連接到這臺(tái)機(jī)器上，同時(shí)在TEG溫度較低(環(huán)境溫度)的一側(cè)加上一個(gè)散熱器。

圖2 TEG和散熱器簡(jiǎn)單的熱模型

散熱器和TEG的熱阻確定了10℃總溫差(ΔT)的哪一部分存在于TEG的兩端。假定熱源(RS)的熱阻可忽略不計(jì)，如果TEG的熱阻(RTEG)為4℃/W，散熱器的熱阻(RHS)也為4℃/W，那么落在TEG上的ΔT僅為5℃。

由于較大的TEG表面積增大了，所以大型TEG比小型TEG熱阻低，因此需要較大的散熱器。在受到尺寸或成本限制而必須使用相對(duì)較小的散熱器的應(yīng)用中，較小的TEG也許比大型TEG提供更多的輸出功率。熱阻不大于TEG熱阻的散熱器可最大限度地提高TEG上的溫度差，因此能最大限度地提高電輸出。

脈沖負(fù)載應(yīng)用設(shè)計(jì)例子
由TEG供電的典型無線傳感器應(yīng)用如圖3所示。在這個(gè)例子中，TEG上至少有4℃的溫差可用，因此選擇1:50的變壓器升壓比，以實(shí)現(xiàn)最高的輸出功率。

圖3 無線傳感器應(yīng)用例子

LTC3108提供一個(gè)典型的無線傳感器所需的多個(gè)輸出。2.2V LDO輸出給微處理器供電，而VOUT利用VS1和VS2引腳設(shè)定到3.3V，以給RF發(fā)送器供電。開關(guān)VOUT(VOUT2)由微處理器控制，以僅在需要時(shí)給3.3V傳感器供電。當(dāng)VOUT達(dá)到穩(wěn)定值的93%時(shí)，PGOOD輸出向微處理器發(fā)出指示信號(hào)。為了在輸入電壓不存在時(shí)保持工作，在后臺(tái)從VSTORE引腳給0.1F存儲(chǔ)電容器充電。這個(gè)電容器可以充電至高達(dá)VAUX并聯(lián)穩(wěn)壓器的5.25V鉗位電壓。如果失去輸入電壓源，那么就自動(dòng)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。

根據(jù)以下公式確定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。
 (1)
考慮到這些要求，COUT至少為454μF，因此選擇了一個(gè)470μF的電容器。

采用所示TEG(以及大小合適的散熱器)，在ΔT為5K時(shí)工作，那么LTC3108在3.3V時(shí)提供的平均充電電流約為560μA。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時(shí)間，以及該電路能以多大頻度發(fā)送脈沖。假定充電階段VLDO和VOUT上的負(fù)載非常小，那么VOUT最初的充電時(shí)間為：
      (2)
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)最大發(fā)送速率的方法是，用從LTC3108可獲得的平均輸出功率(在本例情況下為3.3V×560μA=1.85mW)除以脈沖期間所需功率 (在本例情況下為3.3V×15mA=49.5mW)。收集器可以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，那么會(huì)沒有剩余的收集能量給存儲(chǔ)電容器充電。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。VSTORE電容器提供的存儲(chǔ)時(shí)間利用以下公式計(jì)算：
     (3)

圖4 自動(dòng)極性應(yīng)用例子

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。一旦存儲(chǔ)電容器達(dá)到滿充電狀態(tài)，它就能以2Hz的發(fā)送速率支持負(fù)載637s，或支持總共1274個(gè)發(fā)送脈沖。