當前位置:首頁 > 電源 > 線性電源
[導讀]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的運用,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)。 在替換或維護電池不方便、昂貴或危險時,這顯然是有好處的。由收集能量

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的運用,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)。

    在替換或維護電池不方便、昂貴或危險時,這顯然是有好處的。由收集能量供電的傳感器節(jié)點可以在樓宇自動化、無線 / 自動測量、前瞻性維護、和其他很多工業(yè)、軍事、汽車和消費類應用中使用。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象。因為傳感器節(jié)點常常用來監(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,相應地,平均功率需求也很小。例如,如果一個傳感器系統(tǒng)在工作時需要 3.3V/30mA (100mW),但是每 10s 僅有 10ms 時間在工作,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,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。在實現(xiàn)實際的能量收集系統(tǒng)時,缺失的一環(huán)始終是可以靠一個或多個常見免費能源工作的電源轉(zhuǎn)換器 / 電源管理構件。LTC3108 能在輸入電壓低至 20mV 時啟動,為熱能收集補上了缺失的這一環(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 用一個小的升壓型變壓器和一個內(nèi)部 MOSFET 形成一個諧振振蕩器。變壓器的升壓比為 1:100 時,該轉(zhuǎn)換器能以低至 20mV 的輸入電壓啟動。變壓器的次級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 的輸出設計成首先進入穩(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)低占空比負載脈沖時,VOUT 存儲電容器提供所需的突發(fā)能量。還提供一個開關輸出 (VOUT2),以給沒有停機或休眠模式的電路供電。電源良好輸出提醒主機,主輸出電壓接近其穩(wěn)定值了。一旦 VOUT 進入穩(wěn)定狀態(tài),那么所收集的電流就被導向 VSTORE 引腳,以給可選存儲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,那么這個存儲組件就可用來給系統(tǒng)供電。還有一個 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) 其實就是逆向工作的熱電冷卻器 (TEC)。熱電發(fā)生器應用席貝克效應 (Seebeck Effect) 將設備 (通過該設備產(chǎn)生熱量流動) 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 可以用一個受溫度影響的電壓源模型加一個串聯(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,標準厚度為 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。就給定應用而言,所需要的 TEG 大小取決于可用的 ∆T、負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于 TEG AC 電阻提供合理的負載匹配。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
    當在一個溫暖的表面放置 TEG 以收集能量時,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,因為 TEG 具有相對較低的熱阻 (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,一個大型機器在周圍環(huán)境溫度為 25°C、表面溫度為 35°C 的情況下工作。將一個 TEG 連接到這臺機器上,同時在 TEG 溫度較低 (環(huán)境溫度) 的一側(cè)加上一個散熱器。[!--empirenews.page--]

 
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 (RS) 的熱阻可忽略不計,如果 TEG 的熱阻 (RTEG) 為 4°C/W,散熱器的熱阻 (RHS) 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較小的散熱器的應用中,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。

脈沖負載應用設計例子
    由TEG 供電的典型無線傳感器應用如圖 3 所示。在這個例子中,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,以實現(xiàn)最高的輸出功率。

 
圖 3:無線傳感器應用例子

LTC3108 提供一個典型的無線傳感器所需的多個輸出。2.2V LDO 輸出給微處理器供電,而 VOUT 利用 VS1 和 VS2 引腳設定到 3.3V,以給 RF 發(fā)送器供電。開關 VOUT (VOUT2) 由微處理器控制,以僅在需要時給 3.3V 傳感器供電。當 VOUT 達到穩(wěn)定值的 93% 時,PGOOD 輸出向微處理器發(fā)出指示信號。為了在輸入電壓不存在時保持工作,在后臺從 VSTORE 引腳給 0.1F 存儲電容器充電。這個電容器可以充電至高達 VAUX 并聯(lián)穩(wěn)壓器的 5.25V 箝位電壓。如果失去輸入電壓源,那么就自動由存儲電容器提供能量,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 存儲電容器的大小,以在 10ms 的持續(xù)時間內(nèi)支持 15mA 的總負載脈沖,從而在負載脈沖期間允許 VOUT 有 0.33V 的下降。請注意,IPULSE 包括 VLDO 和 VOUT2 以及 VOUT 上的負載,但充電電流未包括在內(nèi),因為與負載相比,它可能非常小。

考慮到這些要求,COUT 必須至少為 454µF,因此選擇了一個 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 時工作,那么 LTC3108 在 3.3V 時提供的平均充電電流約為 560µA。用這些數(shù)據(jù),我們可以計算出,首次給 VOUT 存儲電容器充電需要花多長時間,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 上的負載非常小,那么 VOUT 最初的充電時間為:

假定發(fā)送脈沖之間的負載電流非常小,那么一種簡單估計最大發(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。

    請注意,如果平均負載電流 (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,那么會沒有剩余的收集能量給存儲電容器充電。因此,在這個例子中,發(fā)送速率設定為 2Hz,從而留出幾乎一半的可用能量給存儲電容器充電。VSTORE 電容器提供的存儲時間利用以下公式計算:

上述計算包括 LTC3108 所需的 6uA 靜態(tài)電流,而且假定發(fā)送脈沖之間的負載極小。一旦存儲電容器達到滿充電狀態(tài),它就能以 2Hz 的發(fā)送速率支持負載 637 秒,或支持總共 1274 個發(fā)送脈沖。

熱量收集應用需要自動極性
    有些熱量收集應用 (如無線 HVAC 傳感器或地熱供電的傳感器) 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,因為 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 運用兩個具 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 LDO、一個數(shù)字可編程的輸出電壓、一個電源良好輸出、一個開關輸出和一個能量存儲輸出。LTC3109 采用 4mm x 4mm 20 引腳 QFN 和 20 引腳 SSOP 封裝。圖 4 顯示了 LTC3109 在自動極性應用中的一個典型例子。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,都能同樣良好地工作。[!--empirenews.page--]

 

圖 4:自動極性應用例子

 
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 能獨特地在輸入電壓低至 20mV 時工作,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)有低功率基本構件無縫連接所需的所有輸出,以支持自主型無線傳感器應用。
 

本站聲明: 本文章由作者或相關機構授權發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點,本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫毥谦F公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務能7×24不間斷運行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務中斷的風險,如企業(yè)系統(tǒng)復雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務連續(xù)性,提升韌性,成...

關鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關鍵字: 華為 12nm EDA 半導體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關鍵字: 華為 12nm 手機 衛(wèi)星通信

要點: 有效應對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務引領增長 以科技創(chuàng)新為引領,提升企業(yè)核心競爭力 堅持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強核心競爭優(yōu)勢...

關鍵字: 通信 BSP 電信運營商 數(shù)字經(jīng)濟

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術學會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術創(chuàng)新聯(lián)...

關鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(集團)股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關鍵字: BSP 信息技術
關閉
關閉