飛機(jī)狀況監(jiān)視能量收集的實(shí)現(xiàn)方案
[導(dǎo)讀]飛機(jī)狀況監(jiān)視
飛機(jī)老化是許多空難事故的主要原因，為了盡可能地避免災(zāi)難發(fā)生，所有飛機(jī)都須定期接受機(jī)身維護(hù)檢查。
大型機(jī)群的結(jié)構(gòu)疲勞曾經(jīng)是一個(gè)需要解決的嚴(yán)重問(wèn)題，幸運(yùn)的是，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)解決了。通過(guò)進(jìn)行
飛機(jī)狀況監(jiān)視
飛機(jī)老化是許多空難事故的主要原因，為了盡可能地避免災(zāi)難發(fā)生，所有飛機(jī)都須定期接受機(jī)身維護(hù)檢查。
大型機(jī)群的結(jié)構(gòu)疲勞曾經(jīng)是一個(gè)需要解決的嚴(yán)重問(wèn)題，幸運(yùn)的是，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)解決了。通過(guò)進(jìn)行更多的檢查、改進(jìn)的結(jié)構(gòu)分析和跟蹤方法以及采用新的、創(chuàng)新性理念評(píng)估結(jié)構(gòu)的完整性，人們已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。這有時(shí)被稱為“飛機(jī)狀況監(jiān)視”。監(jiān)視飛機(jī)狀況的過(guò)程中采用了傳感器、人工智能和先進(jìn)的分析方法，以連續(xù)、實(shí)時(shí)地評(píng)估飛機(jī)狀況。
聲發(fā)射檢測(cè)是定位和監(jiān)視金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的先進(jìn)方法，它可以方便地診斷合成型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損壞。一個(gè)顯然的要求是，以簡(jiǎn)單的“通過(guò)”、“未通過(guò)”形式指示結(jié)構(gòu)完整性，或者立即進(jìn)行維修。這種檢測(cè)方法使用由壓電芯片構(gòu)成的扁平外形檢測(cè)傳感器和光傳感器，壓電芯片由聚合物薄膜密封。傳感器牢固地安裝到結(jié)構(gòu)體表面，通過(guò)三角定位能夠定位裝載有傳感器的結(jié)構(gòu)體的聲活動(dòng)。然后用儀器捕捉傳感器數(shù)據(jù)，并以適合于窄帶存儲(chǔ)和傳送的形式用參數(shù)表示這些數(shù)據(jù)。
因此，無(wú)線傳感器模塊常常嵌入到飛機(jī)的各種不同部分，例如機(jī)翼或機(jī)身，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。不過(guò)為這些傳感器供電可能很復(fù)雜，因此，如果以無(wú)線方式供電甚至實(shí)現(xiàn)自助供電，那么這些傳感器模塊可能更方便使用，效率也更高。在飛機(jī)環(huán)境中，存在很多“免費(fèi)”能源，可用來(lái)給這類傳感器供電。兩種顯然的方法是熱能收集和壓電能收集。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面將進(jìn)行更詳細(xì)的討論。
能量收集的基本原理
從溫差 (熱電發(fā)生器或熱電堆)、機(jī)械振動(dòng)或壓力 (壓電或機(jī)電器件)和光 (光伏器件) 等可方便得到的物理來(lái)源產(chǎn)生電的換能器，對(duì)于很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是可行的電源。眾多無(wú)線傳感器、遠(yuǎn)端監(jiān)視器和其它低功率應(yīng)用正在變成接近“零”電源的設(shè)備，它們僅使用收集的能源。
盡管能量收集的概念已經(jīng)出現(xiàn)很多年了，但是在真實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)一直笨重、復(fù)雜并昂貴。不過(guò)，有些市場(chǎng)已經(jīng)采用了能量收集方法，其中包括運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無(wú)線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測(cè)和樓宇自動(dòng)化。
典型的能量收集配置或系統(tǒng) (由圖 1 所示的 4 個(gè)主要電路系統(tǒng)方框代表) 通常含有一個(gè)免費(fèi)能源。這類能源的例子包括附在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等發(fā)熱源上的熱電發(fā)生器 (TEG) 或熱電堆，或者附在飛機(jī)機(jī)架或機(jī)翼等機(jī)械振動(dòng)源上的壓電換能器。
圖1 一個(gè)典型能量收集系統(tǒng)的 4 個(gè)主要方框
在熱源情況下，一個(gè)緊湊型熱電器件可以將小的溫差轉(zhuǎn)換成電能。而在振動(dòng)或壓力可用的情況下，一個(gè)壓電器件可以將小的振動(dòng)或壓力差轉(zhuǎn)換成電能。在任何一種情況下，所產(chǎn)生的電能都可用一個(gè)能量收集電路 (圖 1中的第二個(gè)方框) 轉(zhuǎn)換，并調(diào)整為可用形式，以給下游電路供電。這些下游電子組件通常由某種傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和超低功率微控制器 (圖 1 中的第三個(gè)方框) 組成。這些組件可以接受這種收集的能量，現(xiàn)在收集的能量以電流形式出現(xiàn)，并且喚醒一個(gè)傳感器以獲取讀數(shù)或測(cè)量值，然后通過(guò)一個(gè)超低功率無(wú)線收發(fā)器傳送這些數(shù)據(jù)，無(wú)線收發(fā)器由圖 1 所示電路鏈的第四個(gè)方框代表。
這個(gè)鏈中的每一個(gè)電路系統(tǒng)方框都有自己獨(dú)特的限制，能源本身可能例外，這些限制已經(jīng)削弱了電路系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)上的可行性，直到現(xiàn)在情況一直如此。低成本和低功率傳感器及微控制器已經(jīng)上市兩三年了，不過(guò)最近超低功率收發(fā)器才提供商用產(chǎn)品。然而，在這個(gè)鏈中，最落后的一直是能量收集器。
能量收集器方框的已有方案一般采用低性能分立組件配置，通常由 30 個(gè)或更多組件組成。這種設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換效率低，靜態(tài)電流大，從而導(dǎo)致最終系統(tǒng)性能受損。低轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致了系統(tǒng)加電所需時(shí)間延長(zhǎng)，反過(guò)來(lái)又延長(zhǎng)了獲取傳感器讀數(shù)與發(fā)送數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔。大靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出，因?yàn)槟芰渴占鞅仨毷紫忍峁┳陨砉ぷ魉璧碾娏?，然后才能夠向輸出提供任何多余的功率?br />
能量收集換能器和IC
一個(gè)熱電器件的核心組件是熱電耦，它由一個(gè)n型半導(dǎo)體和一個(gè)p型半導(dǎo)體組成，兩個(gè)半導(dǎo)體靠一塊金屬板連接。p型和n型材料另一端加上電氣連接，以形成一個(gè)完整的電子電路。當(dāng)熱電耦經(jīng)受熱量變化時(shí)，就產(chǎn)生熱電發(fā)生 (TEG) 現(xiàn)象，在這種情況下，熱電發(fā)生器產(chǎn)生電壓，并引起電流流動(dòng)，從而按照稱為席貝克效應(yīng) (Seeback Effect) 的定律，將熱量轉(zhuǎn)換成電功率。然后，將大量熱電耦串聯(lián)連接，形成一個(gè)熱電模塊。如果熱量在這個(gè)模塊的上部和下部之間流動(dòng)，那么就會(huì)產(chǎn)生電壓和電流流動(dòng)。
在典型的飛機(jī)引擎情況下，其溫度可能在幾百 攝氏度 到一千攝氏度甚至 兩千攝氏度的范圍內(nèi)變化。盡管這種能量大多數(shù)都以機(jī)械能 (燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)推力) 的形式損失了，但仍有一部分是純粹以熱量形式消耗的。既然席貝克效應(yīng)是將熱量轉(zhuǎn)換成電功率的根本熱力學(xué)現(xiàn)象，那么考慮的主要方程是：
P=ηQ
其中P是電功率，Q是熱量，η是效率。
較大的熱電發(fā)生器使用更多的熱量 (Q) ，產(chǎn)生更多的功率 (P)。類似地，使用數(shù)量為兩倍的功率轉(zhuǎn)換器可以獲取兩倍的熱量，產(chǎn)生兩倍的功率。較大的熱電發(fā)生器通過(guò)串聯(lián)更多的 P-N 節(jié)形成，不過(guò)，盡管這樣可以在溫度變化時(shí)產(chǎn)生更大的電壓 (mV/dT)，但是也增大了熱電發(fā)生器的串聯(lián)電阻。這種串聯(lián)電阻增大限制了可提供給負(fù)載的功率。因此，視應(yīng)用需求的不同而不同，有時(shí)使用較小的并聯(lián)熱電發(fā)生器，有時(shí)使用較大的熱電發(fā)生器。不管選擇哪一種熱電發(fā)生器，都有很多廠商提供商用的產(chǎn)品，其中包括 Tellurex公司。
通過(guò)給某個(gè)元件施加應(yīng)力可產(chǎn)生壓電性，這反過(guò)來(lái)將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)。壓電效應(yīng)是可逆的，因?yàn)槌尸F(xiàn)正壓電效應(yīng) (在施加應(yīng)力時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)) 的材料同時(shí)也表現(xiàn)出逆壓電效應(yīng) (當(dāng)施加一個(gè)電場(chǎng)時(shí)將產(chǎn)生應(yīng)力/應(yīng)變)。
為了優(yōu)化壓力換能器，需要確定源的振動(dòng)頻率和位移特性。一旦這些值確定了，那么壓電換能器制造商就可以設(shè)計(jì)一個(gè)從機(jī)械上調(diào)諧到特定振動(dòng)頻率的壓電換能器，并調(diào)整該壓電換能器的大小，以提供必需的功率。壓電材料的振動(dòng)激活正壓電效應(yīng)，在該器件的輸出電容上引起電荷積累。積累的電荷通常相當(dāng)少，因此 AC 開(kāi)路電壓很高，在很多情況下處于 200V 量級(jí)。既然每次偏離產(chǎn)生的電荷量相對(duì)較少，那么有必要對(duì)這個(gè) AC 信號(hào)進(jìn)行全波整流，并在一個(gè)輸入電容器上逐周期積累電荷。仍然有很多廠商提供多種商用壓電換能器，其中包括 AmbioSystems、MIDE Technology 公司和 Advanced Cerametrics公司。
不過(guò)，迄今為止一直缺少的是，既能從熱源又能從壓電源收集和管理能量、高度集成、高效率 的DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案。凌力爾特公司革命性的 LTC3108 和 LTC3588-1 將極大地簡(jiǎn)化從各種來(lái)源收集剩余能量的任務(wù)。
最近推出的 LTC3108 是一種超低電壓升壓型轉(zhuǎn)換器和電源管理器，專為簡(jiǎn)化收集和管理剩余能量的任務(wù)而設(shè)計(jì)，這些剩余能量來(lái)自熱電堆、熱電發(fā)生器 (TEG) 甚至小型太陽(yáng)能電池板等極低輸入電壓源。其升壓型拓?fù)淇捎玫椭?20mV 的輸入電壓工作。這具有重要意義，因?yàn)樗试S LTC3108 在溫差低至 1℃時(shí)從熱電發(fā)生器收集能量，而分立式解決方案由于大靜態(tài)電流，不太容易做到這一點(diǎn)。
圖 2 所示電路采用一個(gè)小型升壓型變壓器來(lái)提高至 LTC3108 的輸入電壓源的電壓，然后 LTC3108 再為無(wú)線檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集提供一個(gè)完整的電源管理解決方案。它能在小溫差時(shí)收集能量，并產(chǎn)生系統(tǒng)電源，從而無(wú)須使用傳統(tǒng)的電池電源。
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圖2 LTC3108用于無(wú)線遠(yuǎn)端傳感器應(yīng)用,該應(yīng)用由熱電發(fā)生器供電(Peltier Cell)
LTC3108用一個(gè)耗盡型 N 溝道 MOSFET 開(kāi)關(guān)形成升壓型諧振振蕩器，該振蕩器使用一個(gè)外部升壓型變壓器和一個(gè)小型耦合電容器。這允許該器件將低至 20mV 的輸入電壓升高到足夠高，以提供多個(gè)穩(wěn)定輸出電壓，以給其它電路供電。振蕩頻率主要由變壓器次級(jí)繞組的電感和 LTC3108 的輸入電容決定，一般在 20kHz至200kHz的范圍內(nèi)。
就低至 20mV 的輸入電壓而言，推薦約為 1:100 的初-次級(jí)匝數(shù)比。就更高的輸入電壓而言，可以采用較低的匝數(shù)比，因?yàn)檫@將提供更大的輸出功率。這些變壓器是標(biāo)準(zhǔn)的組件，可以非常方便地從磁性組件供應(yīng)商那里得到。凌力爾特公司的復(fù)合耗盡型 N 溝道 MOSFET 是 20mV 工作得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。
如圖 3 所示，LTC3108 采用一種“系統(tǒng)級(jí)”方法來(lái)解決一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題。它可以轉(zhuǎn)換低壓源，并管理多個(gè)輸出之間的能量。
圖3 LTC3108 方框圖
利用一個(gè)外部充電泵電容器 (從次級(jí)繞組到引腳 C1) 和 LTC3108 內(nèi)置的整流器來(lái)升高變壓器次級(jí)繞組上產(chǎn)生的 AC 電壓并對(duì)其整流。整流器電路將電流饋送進(jìn) VAUX 引腳，向外部 VAUX 電容器提供電荷，然后向其它輸出。
內(nèi)部 2.2V LDO 可以支持一個(gè)低功率處理器或其它低功率 IC。該 LDO 由VAUX 或 VOUT中電壓值更高的一個(gè)供電。這使它能夠在 VAUX一充電至 2.3V 時(shí)就工作，同時(shí)VOUT存儲(chǔ)電容器仍然在充電。倘若 LDO輸出出現(xiàn)階躍負(fù)載， VAUX降至低于VOUT，電流就可以來(lái)自主 VOUT電容器。LDO輸出可以提供高達(dá) 3mA 的電流。
VOUT上的主輸出電壓靠 VAUX 電源充電，是用戶可編程的，可用電壓選擇引腳 VS1 和 VS2 編程設(shè)定為 4 個(gè)穩(wěn)定電壓之一。4 個(gè)固定輸出電壓是：用于超級(jí)電容器的 2.35V、用于標(biāo)準(zhǔn)電容器和 RF 或傳感器電路的 3.3V、用于鋰離子電池終止的 4.1V以及用于更高能量存儲(chǔ)和主系統(tǒng)軌以給無(wú)線發(fā)送器或傳感器供電的 5V，從而無(wú)須多兆歐外部電阻器。結(jié)果，LTC3108 不需要特殊的電路板涂層以最大限度地減少泄漏，而分立式設(shè)計(jì)不僅需要特殊的電路板涂層，還需要電阻值非常大的電阻器。
第二個(gè)輸出 VOUT2可以由主微處理器利用 VOUT2_EN引腳接通或斷開(kāi)。啟動(dòng)工作后，VOUT2 通過(guò)一個(gè) P 溝道 MOSFET 開(kāi)關(guān)連接到 VOUT。這個(gè)輸出可以用來(lái)給外部電路供電，如沒(méi)有低功率休眠或停機(jī)功能的傳感器或放大器。這種應(yīng)用的一個(gè)例子是，給建筑物自動(dòng)調(diào)溫器內(nèi)檢測(cè)電路組成部分的 MOSFET 供電，使其接通和斷開(kāi)。
VSTORE 電容器的值也許非常大 (數(shù)千微法甚至數(shù)法拉)，以在失去輸入電源時(shí)提供延遲。一旦加電完成，主、備份和開(kāi)關(guān)輸出就都可用了。如果輸入電源出故障，那么仍可繼續(xù)運(yùn)行，這時(shí)靠 VSTORE 電容器運(yùn)行。在 VOUT 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后，VSTORE 輸出可以用來(lái)給一個(gè)大的存儲(chǔ)電容器或可再充電電池充電。一旦 VOUT 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，那么就允許 VSTORE 輸出充電至高達(dá) VAUX 電壓，該電壓箝位在 5.3V。VSTORE 上的存儲(chǔ)組件不僅可在失去輸入源時(shí)用來(lái)給系統(tǒng)供電，而且還可在輸入源能量不充足時(shí)用來(lái)補(bǔ)充 VOUT、VOUT2 和 LDO 輸出需要的電流。一個(gè)電源良好比較器監(jiān)視 VOUT 電壓。一旦 VOUT 充電至其穩(wěn)定電壓的 7% 范圍內(nèi)，PGOOD 輸出就會(huì)變高。如果 VOUT 從其穩(wěn)定電壓下降超過(guò) 9%，PGOOD 將會(huì)變低。PGOOD 輸出設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)一個(gè)微處理器或其它芯片 I/O，而不驅(qū)動(dòng) LED 等較高電流的負(fù)載。
圖 4 所示電路利用一個(gè)小的壓電換能器將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成一個(gè) AC 電壓源，該電壓源饋送進(jìn) LTC3588-1 的內(nèi)部橋式整流器。它可以從小的振動(dòng)源收集能量，并產(chǎn)生系統(tǒng)電源，而無(wú)需使用傳統(tǒng)的電池電源。
圖4 將振動(dòng)或壓力源轉(zhuǎn)換成電流的LTC3588-1的電路原理圖
表1：熱源、電壓源兩種方法優(yōu)缺點(diǎn)比較
LTC3588-1 是一種超低靜態(tài)電流電源，專門(mén)為能量收集/低電流降壓型應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它可以直接連接到一個(gè)壓電或可供替代的 AC 電源，對(duì)電壓波形整流并在一個(gè)外部電容器中存儲(chǔ)收集的能量，通過(guò)一個(gè)內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器泄放任何多余的功率，并通過(guò)亳微功率高效率降壓型穩(wěn)壓器保持穩(wěn)定的輸出電壓。
LTC3588-1 的內(nèi)部全波橋式整流器可通過(guò)兩個(gè)差分輸入 PZ1 和 PZ2 接入，對(duì) AC 輸入整流。整流后的輸出再存儲(chǔ)到 VIN 引腳處的電容器上，并可用作降壓型轉(zhuǎn)換器的能量庫(kù)。在典型的壓電產(chǎn)生電流的情況下，低通橋式整流器具有大約 400mV 的總壓降，壓電產(chǎn)生的電流通常為 10µA 左右。這種橋能夠攜帶高達(dá) 50mA 的電流。一旦在 VIN 上有充足的電壓，就啟動(dòng)降壓型穩(wěn)壓器，以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定輸出。
降壓型穩(wěn)壓器采用遲滯電壓算法，以通過(guò)來(lái)自 VOUT 檢測(cè)引腳的內(nèi)部反饋控制輸出。降壓型轉(zhuǎn)換器通過(guò)電感器將一個(gè)輸出電容器充電至略高于穩(wěn)定點(diǎn)的值。它通過(guò)以下方法做到這一點(diǎn)：通過(guò)一個(gè)內(nèi)部PMOS開(kāi)關(guān)使電感器電流斜坡上升至260mA，然后再通過(guò)一個(gè)內(nèi)部NMOS 開(kāi)關(guān)使其斜坡下降至0mA，因此可高效率地向輸出電容器提供能量。它提供穩(wěn)定輸出的遲滯方法降低了與 FET 切換有關(guān)的損耗，并在輕負(fù)載時(shí)保持輸出。降壓型轉(zhuǎn)換器在它切換時(shí)提供最小100mA 的平均負(fù)載電流。
結(jié)論
就能源選擇而言，在熱源和壓電源之間存在權(quán)衡問(wèn)題。表1總結(jié)了這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
由于全世界都缺乏模擬開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專長(zhǎng)，設(shè)計(jì)一個(gè)有效的能量收集系統(tǒng)一直都很難，如圖 1 所示。不過(guò)，隨著 LTC3108 和 LTC3588-1 的推出，這種狀況將為之改觀。這些器件幾乎可以從任何熱源或機(jī)械振動(dòng)源抽取能量，而熱源和機(jī)械振動(dòng)源在飛機(jī)環(huán)境中是常見(jiàn)的。此外，這些器件具有全面的功能并易于設(shè)計(jì)，因此它們極大地簡(jiǎn)化了能量收集鏈中難以實(shí)現(xiàn)的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。對(duì)于飛機(jī)狀況監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，這是個(gè)好消息，因?yàn)檫@些器件具有高集成度，包括電源管理控制和現(xiàn)成有售的外部組件，就形成完整能量收集鏈而言，這使它們成為最小、最簡(jiǎn)單和最易于使用的可用解決方案。
飛機(jī)老化是許多空難事故的主要原因，為了盡可能地避免災(zāi)難發(fā)生，所有飛機(jī)都須定期接受機(jī)身維護(hù)檢查。
大型機(jī)群的結(jié)構(gòu)疲勞曾經(jīng)是一個(gè)需要解決的嚴(yán)重問(wèn)題，幸運(yùn)的是，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)解決了。通過(guò)進(jìn)行更多的檢查、改進(jìn)的結(jié)構(gòu)分析和跟蹤方法以及采用新的、創(chuàng)新性理念評(píng)估結(jié)構(gòu)的完整性，人們已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題。這有時(shí)被稱為“飛機(jī)狀況監(jiān)視”。監(jiān)視飛機(jī)狀況的過(guò)程中采用了傳感器、人工智能和先進(jìn)的分析方法，以連續(xù)、實(shí)時(shí)地評(píng)估飛機(jī)狀況。
聲發(fā)射檢測(cè)是定位和監(jiān)視金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的先進(jìn)方法，它可以方便地診斷合成型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損壞。一個(gè)顯然的要求是，以簡(jiǎn)單的“通過(guò)”、“未通過(guò)”形式指示結(jié)構(gòu)完整性，或者立即進(jìn)行維修。這種檢測(cè)方法使用由壓電芯片構(gòu)成的扁平外形檢測(cè)傳感器和光傳感器，壓電芯片由聚合物薄膜密封。傳感器牢固地安裝到結(jié)構(gòu)體表面，通過(guò)三角定位能夠定位裝載有傳感器的結(jié)構(gòu)體的聲活動(dòng)。然后用儀器捕捉傳感器數(shù)據(jù)，并以適合于窄帶存儲(chǔ)和傳送的形式用參數(shù)表示這些數(shù)據(jù)。
因此，無(wú)線傳感器模塊常常嵌入到飛機(jī)的各種不同部分，例如機(jī)翼或機(jī)身，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。不過(guò)為這些傳感器供電可能很復(fù)雜，因此，如果以無(wú)線方式供電甚至實(shí)現(xiàn)自助供電，那么這些傳感器模塊可能更方便使用，效率也更高。在飛機(jī)環(huán)境中，存在很多“免費(fèi)”能源，可用來(lái)給這類傳感器供電。兩種顯然的方法是熱能收集和壓電能收集。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面將進(jìn)行更詳細(xì)的討論。
能量收集的基本原理
從溫差 (熱電發(fā)生器或熱電堆)、機(jī)械振動(dòng)或壓力 (壓電或機(jī)電器件)和光 (光伏器件) 等可方便得到的物理來(lái)源產(chǎn)生電的換能器，對(duì)于很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)是可行的電源。眾多無(wú)線傳感器、遠(yuǎn)端監(jiān)視器和其它低功率應(yīng)用正在變成接近“零”電源的設(shè)備，它們僅使用收集的能源。
盡管能量收集的概念已經(jīng)出現(xiàn)很多年了，但是在真實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)一直笨重、復(fù)雜并昂貴。不過(guò)，有些市場(chǎng)已經(jīng)采用了能量收集方法，其中包括運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無(wú)線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測(cè)和樓宇自動(dòng)化。
典型的能量收集配置或系統(tǒng) (由圖 1 所示的 4 個(gè)主要電路系統(tǒng)方框代表) 通常含有一個(gè)免費(fèi)能源。這類能源的例子包括附在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等發(fā)熱源上的熱電發(fā)生器 (TEG) 或熱電堆，或者附在飛機(jī)機(jī)架或機(jī)翼等機(jī)械振動(dòng)源上的壓電換能器。
圖1 一個(gè)典型能量收集系統(tǒng)的 4 個(gè)主要方框
在熱源情況下，一個(gè)緊湊型熱電器件可以將小的溫差轉(zhuǎn)換成電能。而在振動(dòng)或壓力可用的情況下，一個(gè)壓電器件可以將小的振動(dòng)或壓力差轉(zhuǎn)換成電能。在任何一種情況下，所產(chǎn)生的電能都可用一個(gè)能量收集電路 (圖 1中的第二個(gè)方框) 轉(zhuǎn)換，并調(diào)整為可用形式，以給下游電路供電。這些下游電子組件通常由某種傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和超低功率微控制器 (圖 1 中的第三個(gè)方框) 組成。這些組件可以接受這種收集的能量，現(xiàn)在收集的能量以電流形式出現(xiàn)，并且喚醒一個(gè)傳感器以獲取讀數(shù)或測(cè)量值，然后通過(guò)一個(gè)超低功率無(wú)線收發(fā)器傳送這些數(shù)據(jù)，無(wú)線收發(fā)器由圖 1 所示電路鏈的第四個(gè)方框代表。
這個(gè)鏈中的每一個(gè)電路系統(tǒng)方框都有自己獨(dú)特的限制，能源本身可能例外，這些限制已經(jīng)削弱了電路系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)上的可行性，直到現(xiàn)在情況一直如此。低成本和低功率傳感器及微控制器已經(jīng)上市兩三年了，不過(guò)最近超低功率收發(fā)器才提供商用產(chǎn)品。然而，在這個(gè)鏈中，最落后的一直是能量收集器。
能量收集器方框的已有方案一般采用低性能分立組件配置，通常由 30 個(gè)或更多組件組成。這種設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換效率低，靜態(tài)電流大，從而導(dǎo)致最終系統(tǒng)性能受損。低轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致了系統(tǒng)加電所需時(shí)間延長(zhǎng)，反過(guò)來(lái)又延長(zhǎng)了獲取傳感器讀數(shù)與發(fā)送數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔。大靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出，因?yàn)槟芰渴占鞅仨毷紫忍峁┳陨砉ぷ魉璧碾娏?，然后才能夠向輸出提供任何多余的功率?br />
能量收集換能器和IC
一個(gè)熱電器件的核心組件是熱電耦，它由一個(gè)n型半導(dǎo)體和一個(gè)p型半導(dǎo)體組成，兩個(gè)半導(dǎo)體靠一塊金屬板連接。p型和n型材料另一端加上電氣連接，以形成一個(gè)完整的電子電路。當(dāng)熱電耦經(jīng)受熱量變化時(shí)，就產(chǎn)生熱電發(fā)生 (TEG) 現(xiàn)象，在這種情況下，熱電發(fā)生器產(chǎn)生電壓，并引起電流流動(dòng)，從而按照稱為席貝克效應(yīng) (Seeback Effect) 的定律，將熱量轉(zhuǎn)換成電功率。然后，將大量熱電耦串聯(lián)連接，形成一個(gè)熱電模塊。如果熱量在這個(gè)模塊的上部和下部之間流動(dòng)，那么就會(huì)產(chǎn)生電壓和電流流動(dòng)。
在典型的飛機(jī)引擎情況下，其溫度可能在幾百 攝氏度 到一千攝氏度甚至 兩千攝氏度的范圍內(nèi)變化。盡管這種能量大多數(shù)都以機(jī)械能 (燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)推力) 的形式損失了，但仍有一部分是純粹以熱量形式消耗的。既然席貝克效應(yīng)是將熱量轉(zhuǎn)換成電功率的根本熱力學(xué)現(xiàn)象，那么考慮的主要方程是：
P=ηQ
其中P是電功率，Q是熱量，η是效率。
較大的熱電發(fā)生器使用更多的熱量 (Q) ，產(chǎn)生更多的功率 (P)。類似地，使用數(shù)量為兩倍的功率轉(zhuǎn)換器可以獲取兩倍的熱量，產(chǎn)生兩倍的功率。較大的熱電發(fā)生器通過(guò)串聯(lián)更多的 P-N 節(jié)形成，不過(guò)，盡管這樣可以在溫度變化時(shí)產(chǎn)生更大的電壓 (mV/dT)，但是也增大了熱電發(fā)生器的串聯(lián)電阻。這種串聯(lián)電阻增大限制了可提供給負(fù)載的功率。因此，視應(yīng)用需求的不同而不同，有時(shí)使用較小的并聯(lián)熱電發(fā)生器，有時(shí)使用較大的熱電發(fā)生器。不管選擇哪一種熱電發(fā)生器，都有很多廠商提供商用的產(chǎn)品，其中包括 Tellurex公司。
通過(guò)給某個(gè)元件施加應(yīng)力可產(chǎn)生壓電性，這反過(guò)來(lái)將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)。壓電效應(yīng)是可逆的，因?yàn)槌尸F(xiàn)正壓電效應(yīng) (在施加應(yīng)力時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)) 的材料同時(shí)也表現(xiàn)出逆壓電效應(yīng) (當(dāng)施加一個(gè)電場(chǎng)時(shí)將產(chǎn)生應(yīng)力/應(yīng)變)。
為了優(yōu)化壓力換能器，需要確定源的振動(dòng)頻率和位移特性。一旦這些值確定了，那么壓電換能器制造商就可以設(shè)計(jì)一個(gè)從機(jī)械上調(diào)諧到特定振動(dòng)頻率的壓電換能器，并調(diào)整該壓電換能器的大小，以提供必需的功率。壓電材料的振動(dòng)激活正壓電效應(yīng)，在該器件的輸出電容上引起電荷積累。積累的電荷通常相當(dāng)少，因此 AC 開(kāi)路電壓很高，在很多情況下處于 200V 量級(jí)。既然每次偏離產(chǎn)生的電荷量相對(duì)較少，那么有必要對(duì)這個(gè) AC 信號(hào)進(jìn)行全波整流，并在一個(gè)輸入電容器上逐周期積累電荷。仍然有很多廠商提供多種商用壓電換能器，其中包括 AmbioSystems、MIDE Technology 公司和 Advanced Cerametrics公司。
不過(guò)，迄今為止一直缺少的是，既能從熱源又能從壓電源收集和管理能量、高度集成、高效率 的DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案。凌力爾特公司革命性的 LTC3108 和 LTC3588-1 將極大地簡(jiǎn)化從各種來(lái)源收集剩余能量的任務(wù)。
最近推出的 LTC3108 是一種超低電壓升壓型轉(zhuǎn)換器和電源管理器，專為簡(jiǎn)化收集和管理剩余能量的任務(wù)而設(shè)計(jì)，這些剩余能量來(lái)自熱電堆、熱電發(fā)生器 (TEG) 甚至小型太陽(yáng)能電池板等極低輸入電壓源。其升壓型拓?fù)淇捎玫椭?20mV 的輸入電壓工作。這具有重要意義，因?yàn)樗试S LTC3108 在溫差低至 1℃時(shí)從熱電發(fā)生器收集能量，而分立式解決方案由于大靜態(tài)電流，不太容易做到這一點(diǎn)。
圖 2 所示電路采用一個(gè)小型升壓型變壓器來(lái)提高至 LTC3108 的輸入電壓源的電壓，然后 LTC3108 再為無(wú)線檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集提供一個(gè)完整的電源管理解決方案。它能在小溫差時(shí)收集能量，并產(chǎn)生系統(tǒng)電源，從而無(wú)須使用傳統(tǒng)的電池電源。
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圖2 LTC3108用于無(wú)線遠(yuǎn)端傳感器應(yīng)用,該應(yīng)用由熱電發(fā)生器供電(Peltier Cell)
LTC3108用一個(gè)耗盡型 N 溝道 MOSFET 開(kāi)關(guān)形成升壓型諧振振蕩器，該振蕩器使用一個(gè)外部升壓型變壓器和一個(gè)小型耦合電容器。這允許該器件將低至 20mV 的輸入電壓升高到足夠高，以提供多個(gè)穩(wěn)定輸出電壓，以給其它電路供電。振蕩頻率主要由變壓器次級(jí)繞組的電感和 LTC3108 的輸入電容決定，一般在 20kHz至200kHz的范圍內(nèi)。
就低至 20mV 的輸入電壓而言，推薦約為 1:100 的初-次級(jí)匝數(shù)比。就更高的輸入電壓而言，可以采用較低的匝數(shù)比，因?yàn)檫@將提供更大的輸出功率。這些變壓器是標(biāo)準(zhǔn)的組件，可以非常方便地從磁性組件供應(yīng)商那里得到。凌力爾特公司的復(fù)合耗盡型 N 溝道 MOSFET 是 20mV 工作得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。
如圖 3 所示，LTC3108 采用一種“系統(tǒng)級(jí)”方法來(lái)解決一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題。它可以轉(zhuǎn)換低壓源，并管理多個(gè)輸出之間的能量。
圖3 LTC3108 方框圖
利用一個(gè)外部充電泵電容器 (從次級(jí)繞組到引腳 C1) 和 LTC3108 內(nèi)置的整流器來(lái)升高變壓器次級(jí)繞組上產(chǎn)生的 AC 電壓并對(duì)其整流。整流器電路將電流饋送進(jìn) VAUX 引腳，向外部 VAUX 電容器提供電荷，然后向其它輸出。
內(nèi)部 2.2V LDO 可以支持一個(gè)低功率處理器或其它低功率 IC。該 LDO 由VAUX 或 VOUT中電壓值更高的一個(gè)供電。這使它能夠在 VAUX一充電至 2.3V 時(shí)就工作，同時(shí)VOUT存儲(chǔ)電容器仍然在充電。倘若 LDO輸出出現(xiàn)階躍負(fù)載， VAUX降至低于VOUT，電流就可以來(lái)自主 VOUT電容器。LDO輸出可以提供高達(dá) 3mA 的電流。
VOUT上的主輸出電壓靠 VAUX 電源充電，是用戶可編程的，可用電壓選擇引腳 VS1 和 VS2 編程設(shè)定為 4 個(gè)穩(wěn)定電壓之一。4 個(gè)固定輸出電壓是：用于超級(jí)電容器的 2.35V、用于標(biāo)準(zhǔn)電容器和 RF 或傳感器電路的 3.3V、用于鋰離子電池終止的 4.1V以及用于更高能量存儲(chǔ)和主系統(tǒng)軌以給無(wú)線發(fā)送器或傳感器供電的 5V，從而無(wú)須多兆歐外部電阻器。結(jié)果，LTC3108 不需要特殊的電路板涂層以最大限度地減少泄漏，而分立式設(shè)計(jì)不僅需要特殊的電路板涂層，還需要電阻值非常大的電阻器。
第二個(gè)輸出 VOUT2可以由主微處理器利用 VOUT2_EN引腳接通或斷開(kāi)。啟動(dòng)工作后，VOUT2 通過(guò)一個(gè) P 溝道 MOSFET 開(kāi)關(guān)連接到 VOUT。這個(gè)輸出可以用來(lái)給外部電路供電，如沒(méi)有低功率休眠或停機(jī)功能的傳感器或放大器。這種應(yīng)用的一個(gè)例子是，給建筑物自動(dòng)調(diào)溫器內(nèi)檢測(cè)電路組成部分的 MOSFET 供電，使其接通和斷開(kāi)。
VSTORE 電容器的值也許非常大 (數(shù)千微法甚至數(shù)法拉)，以在失去輸入電源時(shí)提供延遲。一旦加電完成，主、備份和開(kāi)關(guān)輸出就都可用了。如果輸入電源出故障，那么仍可繼續(xù)運(yùn)行，這時(shí)靠 VSTORE 電容器運(yùn)行。在 VOUT 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后，VSTORE 輸出可以用來(lái)給一個(gè)大的存儲(chǔ)電容器或可再充電電池充電。一旦 VOUT 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，那么就允許 VSTORE 輸出充電至高達(dá) VAUX 電壓，該電壓箝位在 5.3V。VSTORE 上的存儲(chǔ)組件不僅可在失去輸入源時(shí)用來(lái)給系統(tǒng)供電，而且還可在輸入源能量不充足時(shí)用來(lái)補(bǔ)充 VOUT、VOUT2 和 LDO 輸出需要的電流。一個(gè)電源良好比較器監(jiān)視 VOUT 電壓。一旦 VOUT 充電至其穩(wěn)定電壓的 7% 范圍內(nèi)，PGOOD 輸出就會(huì)變高。如果 VOUT 從其穩(wěn)定電壓下降超過(guò) 9%，PGOOD 將會(huì)變低。PGOOD 輸出設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)一個(gè)微處理器或其它芯片 I/O，而不驅(qū)動(dòng) LED 等較高電流的負(fù)載。
圖 4 所示電路利用一個(gè)小的壓電換能器將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成一個(gè) AC 電壓源，該電壓源饋送進(jìn) LTC3588-1 的內(nèi)部橋式整流器。它可以從小的振動(dòng)源收集能量，并產(chǎn)生系統(tǒng)電源，而無(wú)需使用傳統(tǒng)的電池電源。
圖4 將振動(dòng)或壓力源轉(zhuǎn)換成電流的LTC3588-1的電路原理圖
表1：熱源、電壓源兩種方法優(yōu)缺點(diǎn)比較
LTC3588-1 是一種超低靜態(tài)電流電源，專門(mén)為能量收集/低電流降壓型應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它可以直接連接到一個(gè)壓電或可供替代的 AC 電源，對(duì)電壓波形整流并在一個(gè)外部電容器中存儲(chǔ)收集的能量，通過(guò)一個(gè)內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器泄放任何多余的功率，并通過(guò)亳微功率高效率降壓型穩(wěn)壓器保持穩(wěn)定的輸出電壓。
LTC3588-1 的內(nèi)部全波橋式整流器可通過(guò)兩個(gè)差分輸入 PZ1 和 PZ2 接入，對(duì) AC 輸入整流。整流后的輸出再存儲(chǔ)到 VIN 引腳處的電容器上，并可用作降壓型轉(zhuǎn)換器的能量庫(kù)。在典型的壓電產(chǎn)生電流的情況下，低通橋式整流器具有大約 400mV 的總壓降，壓電產(chǎn)生的電流通常為 10µA 左右。這種橋能夠攜帶高達(dá) 50mA 的電流。一旦在 VIN 上有充足的電壓，就啟動(dòng)降壓型穩(wěn)壓器，以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定輸出。
降壓型穩(wěn)壓器采用遲滯電壓算法，以通過(guò)來(lái)自 VOUT 檢測(cè)引腳的內(nèi)部反饋控制輸出。降壓型轉(zhuǎn)換器通過(guò)電感器將一個(gè)輸出電容器充電至略高于穩(wěn)定點(diǎn)的值。它通過(guò)以下方法做到這一點(diǎn)：通過(guò)一個(gè)內(nèi)部PMOS開(kāi)關(guān)使電感器電流斜坡上升至260mA，然后再通過(guò)一個(gè)內(nèi)部NMOS 開(kāi)關(guān)使其斜坡下降至0mA，因此可高效率地向輸出電容器提供能量。它提供穩(wěn)定輸出的遲滯方法降低了與 FET 切換有關(guān)的損耗，并在輕負(fù)載時(shí)保持輸出。降壓型轉(zhuǎn)換器在它切換時(shí)提供最小100mA 的平均負(fù)載電流。
結(jié)論
就能源選擇而言，在熱源和壓電源之間存在權(quán)衡問(wèn)題。表1總結(jié)了這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
由于全世界都缺乏模擬開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專長(zhǎng)，設(shè)計(jì)一個(gè)有效的能量收集系統(tǒng)一直都很難，如圖 1 所示。不過(guò)，隨著 LTC3108 和 LTC3588-1 的推出，這種狀況將為之改觀。這些器件幾乎可以從任何熱源或機(jī)械振動(dòng)源抽取能量，而熱源和機(jī)械振動(dòng)源在飛機(jī)環(huán)境中是常見(jiàn)的。此外，這些器件具有全面的功能并易于設(shè)計(jì)，因此它們極大地簡(jiǎn)化了能量收集鏈中難以實(shí)現(xiàn)的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。對(duì)于飛機(jī)狀況監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，這是個(gè)好消息，因?yàn)檫@些器件具有高集成度，包括電源管理控制和現(xiàn)成有售的外部組件，就形成完整能量收集鏈而言，這使它們成為最小、最簡(jiǎn)單和最易于使用的可用解決方案。
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