采用超低電壓轉(zhuǎn)換器改善從熱電能源的能量收集

背景

測量和控制所需的超低功率無線傳感器節(jié)點的激增，再加上新型能量收集技術(shù)的運用，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”能量來為無線傳感器節(jié)點供電是很有吸引力，因為它能夠?qū)﹄姵鼗驅(qū)Ь€供電提供補充、甚至完全無需使用電池或供電導(dǎo)線。當更換或檢修電池存在不便、費用昂貴或危險之時，這顯然是有好處的。

許多無線傳感器系統(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)進行供電的主要候選對象。很多傳感器節(jié)點用于監(jiān)視緩慢變化的物理量。所以可以不經(jīng)常進行測量，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：如果一個傳感器系統(tǒng)處于喚醒狀態(tài)時需要 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，傳感器系統(tǒng)電流降至數(shù) μA。倘若這個無線傳感器只是每分鐘 (而不是每秒鐘) 進行一次采樣和傳送，則平均功率將驟降至 20μW 以下。這差異是十分重要，因為大多數(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，某些場合甚至僅為幾 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供電。

能量收集源

可供收集的最常見能量源是振動 (或運動)、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 它們可能無法提供一個連續(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)

如果想把此類能量源用于給無線傳感器或其他電子線路供電，就必需針對上述特性進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線傳感器系統(tǒng)可分解為 5 個基本構(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)用了有一段時間。比如：運行功率僅數(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)字傳感器也是無處不在。

圖 1：典型的無線傳感器系統(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，同時能夠采用由常見能量收集源所產(chǎn)生的異常高或異常低電壓來運作，并且以理想的方式提供與源阻抗的良好負載匹配，可實現(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管理累積的能量，并使用極少的分立組件來產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。

有些應(yīng)用 (比如：無線 HVAC 傳感器或地?zé)峁╇娦蛡鞲衅? 則給能量收集電源轉(zhuǎn)換器提出了另一項獨特的挑戰(zhàn)。此類應(yīng)用要求能量收集電源管理器能夠依靠一個非常低、而且是任一極性的輸入電壓來運作，這是因為熱電發(fā)生器 (TEG) 兩端之 ΔT 的極性是會變化的。這是一個特別棘手的難題，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題。該器件提供了一款緊湊、簡單、高度集成的單片式電源管理解決方案，適合采用低至 ±30mV 的輸入電壓來運作。這種獨特的能力使其可以采用一個熱電發(fā)生器 (TEG) 來給無線傳感器供電，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，可提供為當今的無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 形成了一個諧振振蕩器，該振蕩器能夠采用非常低的輸入電壓運作。利用一個 1:100 的變壓器匝數(shù)比，此轉(zhuǎn)換器能依靠低至 30mV 的輸入實現(xiàn)啟動，這與輸入的極性無關(guān)。變壓器副端繞組負責(zé)為一個充電泵和整流器電路饋電，這用于給 IC 供電 (通過 VAUX 引腳)及對輸出電容器進行充電。2.2V LDO 輸出被設(shè)計為首先處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，以盡快地為一個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，甚至給一個超級電容器或電池充電。當無線傳感器處于運行狀態(tài)并發(fā)送信號時，VOUT 存儲電容器將提供低占空比負載脈沖期間所需的突發(fā)能量。另外，還提供了一個可由主機輕松控制的開關(guān)輸出 (VOUT2)，用于為那些沒有停機或低功率睡眠模式的電路供電。該器件內(nèi)置了一個電源良好輸出，用以向主機發(fā)出“主輸出電壓接近其穩(wěn)定值”的提示信號。圖 2 示出了 LTC3109 的電路原理圖。[!--empirenews.page--]

圖 2：針對單極輸出操作的 LTC3109 原理圖

熱電發(fā)生器

熱電發(fā)生器其實就是熱電模塊，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)致流過設(shè)備的熱量) 轉(zhuǎn)換為電壓。這一現(xiàn)象的逆過程 (被稱為帕爾帖 [Peltier] 效應(yīng)) 則是通過施加電壓而產(chǎn)生溫差，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來，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)體芯片對或偶所構(gòu)成。最常用的半導(dǎo)體材料是碲化鉍 (Bi2Te3)。圖 3 示出了 TEG 的機械構(gòu)造。

圖 3：TEG 的典型機械構(gòu)造

對于一個給定的 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。其輸出電壓為每 K 溫差 10mV 至 50mV (取決于電偶的數(shù)目)，并具有大約 0.5Ω 至 5Ω 的源電阻。一般而言，對于給定的 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)目也會增加 TEG 的串聯(lián)電阻，從而導(dǎo)致在加載時產(chǎn)生較大的電壓降。制造商可以通過調(diào)整個別半導(dǎo)體芯片的尺寸和設(shè)計對此進行補償，以在保持低電阻的同時仍然提供較高的輸出電壓。TEG 的熱阻則是在選擇 TEG 以及使其與散熱器匹配時所需考慮的另一個因素。

結(jié)論

憑借其可在低至 ±30mV 的輸入電壓下運作之獨特能力，LTC3109 提供了一款簡單和高效的電源管理解決方案，其實現(xiàn)的熱能收集可用于從常見的熱電器件來給無線傳感器和其他的低功率應(yīng)用供電。該產(chǎn)品采用 20 引腳 QFN 封裝或 SSOP 封裝，可提供前所未有的低電壓能力和很高的集成度，以最大限度地縮減解決方案的占板面積。LTC3109 可與現(xiàn)有的低功率構(gòu)件無縫連接，以支持自主型無線傳感器并延長關(guān)鍵型電池后備應(yīng)用中的電池壽命。