超低電壓能量收集器利用廢熱為無線傳感器供電

測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，使得能夠制造出由局部環(huán)境能量而非電池供電的全自主型系統(tǒng)。
在替換或維護(hù)電池不方便、昂貴或危險(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)行測量，也不需要經(jīng)常發(fā)送測量數(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) uA。

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 uW 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 x 4mm x 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°C 的溫度差 (∆T) 給無線傳感器供電提供了一個(gè)緊湊、簡單和高度集成的電源管理解決方案。

    參見圖 1，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 的輸入電壓啟動(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)，V_OUT 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 (V_OUT2)，以給沒有停機(jī)或休眠模式的電路供電。電源良好輸出提醒主機(jī)，主輸出電壓接近其穩(wěn)定值了。一旦 V_OUT 進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，那么所收集的電流就被導(dǎo)向 V_STORE 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 10mm 至 50mm 不等，標(biāo)準(zhǔn)厚度為 2mm 至 5mm。它們的開路輸出電壓視尺寸不同而不同，范圍為 10mV/K 至 50mV/K。一般而言，對(duì)于給定的 ∆T，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 ∆T、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 (0.5Ω 至 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 ∆T 將低于溫暖表面和環(huán)境之間的溫度差，因?yàn)?TEG 具有相對(duì)較低的熱阻 (典型情況下在 1°C/W 至 20°C/W 范圍內(nèi))。

    參見圖 2 所示的簡單熱模型，考慮如下例子，一個(gè)大型機(jī)器在周圍環(huán)境溫度為 25°C、表面溫度為 35°C 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 和散熱器簡單的熱模型

散熱器和 TEG 的熱阻確定了 10oC總溫差 (∆T) 的哪一部分存在于 TEG 的兩端。假定熱源 (R_S) 的熱阻可忽略不計(jì)，如果 TEG 的熱阻 (R_TEG) 為 4°C/W，散熱器的熱阻 (R_HS) 也為 4°C/W，那么落在 TEG 上的 ∆T 僅為 5°C。

    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才有利。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。熱阻等于或小于 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°C 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) V_OUT (V_OUT2) 由微處理器控制，以僅在需要時(shí)給 3.3V 傳感器供電。當(dāng) V_OUT 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 V_STORE 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) V_AUX 并聯(lián)穩(wěn)壓器的 5.25V 箝位電壓。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 V_LDO 和 V_OUT 的穩(wěn)定。

    根據(jù)以下公式確定 C_OUT 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 V_OUT 有 0.33V 的下降。請(qǐng)注意，I_PULSE 包括 V_LDO 和 V_OUT2 以及 V_OUT 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。

 
    考慮到這些要求，C必須至少為 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 ∆T 為 5°K 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 V_OUT 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 V_LDO 和 V_OUT 上的負(fù)載非常小，那么 V_OUT 最初的充電時(shí)間為：

 
    假定發(fā)送脈沖之間的負(fù)載電流非常小，那么一種簡單估計(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 = 0.27 秒或約為 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。V_STORE 電容器提供的存儲(chǔ)時(shí)間利用以下公式計(jì)算：

 
    上述計(jì)算包括 LTC3108 所需的 6uA 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 637 秒，或支持總共 1274 個(gè)發(fā)送脈沖。

熱量收集應(yīng)用需要自動(dòng)極性
    有些熱量收集應(yīng)用 (如無線 HVAC 傳感器或地?zé)峁╇姷膫鞲衅? 要求電源管理器不僅能以非常低的輸入電壓工作，而且能以任一極性工作，因?yàn)?TEG 上的 ∆T 的極性可能改變。
LTC3109 是惟一適合克服這種挑戰(zhàn)的器件。LTC3109 運(yùn)用兩個(gè)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 和 20 引腳 SSOP 封裝。圖 4 顯示了 LTC3109 在自動(dòng)極性應(yīng)用中的一個(gè)典型例子。如圖 5 所示，該轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線說明，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 4：自動(dòng)極性應(yīng)用例子

 
圖 5：圖 4 中轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線

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，提供了簡單和有效的電源管理解決方案，能實(shí)現(xiàn)熱能收集，可用常見熱電器件為無線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壓能力和高集成度，可最大限度地減小解決方案占板面積。LTC3108、LTC3108-1 和 LTC3109 提供了與現(xiàn)有低功率基本構(gòu)件無縫連接所需的所有輸出，以支持自主型無線傳感器應(yīng)用。