超低壓轉(zhuǎn)換器推動熱電源能量收集的發(fā)展

背景

用于測量和控制用途的超低功率無線傳感器節(jié)點在大量增加，這種情況與新的能量收集技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)使得有可能產(chǎn)生完全自主運行的系統(tǒng)，即由周圍環(huán)境中的能源而不是電池供電的系統(tǒng)。用周圍環(huán)境中的能源或“免費”能源給無線傳感器節(jié)點供電這種方法很有吸引力，因為這種方法可以對電池電源起到補充作用，或者完全不再需要電池或?qū)Ь€。當(dāng)更換電池或電池維護(hù)不方便、昂貴或危險時，這種方法具有顯然的優(yōu)勢。

完全不用導(dǎo)線還使得很容易大規(guī)模擴(kuò)展監(jiān)視和控制系統(tǒng)。能量收集無線傳感器系統(tǒng)在多種多樣的領(lǐng)域簡化了安裝和維護(hù)，例如樓宇自動化、無線 / 自動計量和預(yù)測性維護(hù)、以及其他無數(shù)的工業(yè)、軍事、汽車和消費類應(yīng)用。能量收集的好處很明顯，但是有效的能量收集系統(tǒng)需要一種聰明的電源管理方法，以將極其微量的免費能源轉(zhuǎn)換成無線傳感器系統(tǒng)可用的形式。

一切都?xì)w結(jié)為占空比問題

很多無線傳感器系統(tǒng)都消耗非常低的平均功率，因此成為了用能量收集方法供電的首選系統(tǒng)。很多傳感器節(jié)點都用來監(jiān)視變化緩慢的物理量。因此，不用經(jīng)常進(jìn)行測量和發(fā)送測量結(jié)果，這使得系統(tǒng)以很低的占空比運行，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)在喚醒時需要 3.3V/30mA (100mW)，但每秒鐘僅有 10ms 處于工作狀態(tài)，那么假定在發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)中間的非工作狀態(tài)，傳感器系統(tǒng)的電流降至幾微安，則所需的平均功率僅為 1mW。如果同樣的無線傳感器每分鐘、而不是每秒鐘僅采樣和發(fā)送一次，那么平均功率就會降至不到 20µW。這種差別非常重要，因為大多數(shù)能量收集方法提供的穩(wěn)定狀態(tài)功率都非常低，通常不高于幾毫瓦，在有些情況下僅為幾微瓦。應(yīng)用所需的平均功率越低，就越有可能用收集的能量供電。

能量收集來源

最常見的可收集能源是振動 (或運動)、光和熱。所有這些能源的換能器都有 3 個共同特點：

1. 電輸出是不穩(wěn)定的，不適合直接用來給電子電路供電

2. 也許不能提供連續(xù)的、不間斷的電源

3. 一般產(chǎn)生非常低的平均輸出功率，通常在 10µW 至 10mW 范圍

如果要用這些能量源來給無線傳感器或其他電子產(chǎn)品供電，那么面向上述特點要求，就要進(jìn)行審慎的電源管理。

電源管理：能量收集中缺少的環(huán)節(jié)

由收集能量供電的典型無線傳感器系統(tǒng)可以劃分成 5 個基本組成部分，如圖 1 所示。除了電源管理部分，其他所有部分通常都面市有一段時間了。例如，以毫瓦功率運行的微處理器、小型和經(jīng)濟(jì)實惠的 RF 發(fā)送器、以及消耗非常低功率的收發(fā)器都可以廣泛地得到。低功率模擬和數(shù)字傳感器也是無處不在。

圖 1：典型無線傳感器系統(tǒng)配置

在實現(xiàn)這種能量收集系統(tǒng)鏈路時，缺失的一環(huán)始終是可以依靠一個或多個常見免費能源工作的功率轉(zhuǎn)換器 / 電源管理構(gòu)件。能量收集的理想電源管理解決方案應(yīng)具有小巧、易用的特點，在采用由常見的能量收集源產(chǎn)生的異常高或低電壓工作時良好地運行，并在理想的情況下提供與源阻抗的上佳負(fù)載匹配以實現(xiàn)最優(yōu)的功率傳輸。電源管理器本身在管理累積能量時所需消耗的電流必須非常小，且應(yīng)在使用極少分立組件的情況下產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。

有些應(yīng)用 (例如: 無線 HVAC 傳感器或地?zé)峁╇姷膫鞲衅? 給能量收集電源轉(zhuǎn)換器造成了另一種獨特的挑戰(zhàn)。這類應(yīng)用要求能量收集電源管理器不僅能用非常低的輸入電壓工作，而且能隨著熱電發(fā)生器 (TEG) ∆T 極性的變化，用任一極性的電壓工作。這是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題，在數(shù)十或數(shù)百毫伏電壓情況下，二極管橋型整流器不是一個可行的選擇。

LTC3109 采用 4mm x 4mm x 0.75mm 20 引腳 QFN 或 20 引腳 SSOP 封裝，解決了任一極性超低輸入電壓源的能量收集問題。該器件能以低至 ±30mV 的輸入電壓工作，提供了緊湊、簡單、高度集成的單片電源管理解決方案。這種獨特能力使該器件能用 TEG 給無線傳感器供電，而 TEG 可從低至 2°C 的溫度差 (∆T) 中收集能量。運用兩個小型 (6mm x 6mm) 現(xiàn)成有售的降壓型變壓器和少數(shù)低成本電容器，該器件就可提供為今天的無線傳感器電子產(chǎn)品供電所必需的穩(wěn)定輸出電壓。

LTC3109 運用這些降壓型變壓器和內(nèi)部 MOSFET 形成一個諧振振蕩器，該振蕩器能用非常低的輸入電壓工作。運用 1:100 的變壓比，該轉(zhuǎn)換器能以低至 30mV 的輸入啟動，而無論電壓是哪種極性。變壓器副端繞組向充電泵和整流電路饋送電壓，以給該 IC 供電 (通過 VAUX 引腳)，并給輸出電容器充電。2.2V LDO 輸出設(shè)計為首先穩(wěn)定，以盡快給低功率微處理器供電。之后，主輸出電容器被充電至通過 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、RF 收發(fā)器供電，甚至給超級電容器或電池充電。當(dāng)無線傳感器工作并發(fā)送數(shù)據(jù)時，VOUT 存儲電容器在低占空比負(fù)載脈沖期間提供突發(fā)能量。另外，還提供開關(guān)輸出 (VOUT2)，以給沒有停機或低功率休眠模式的電路供電，該開關(guān)輸出很容易通過主器件控制。還包括一個電源良好輸出以提醒主器件，主輸出電壓接近其穩(wěn)定值了。圖 2 顯示了 LTC3109 的電路原理圖。

圖 2：適用于單極性輸入工作方式的 LTC3109 原理圖

一旦 VOUT 充電到穩(wěn)定狀態(tài)，那么收集的電流就轉(zhuǎn)而進(jìn)入 VSTORE 引腳，以給可選的大型存儲電容器或可再充電電池充電。如果能量收集電源處于間歇狀態(tài)，那么這種存儲單元可用來保持穩(wěn)定或給系統(tǒng)供電。VAUX 引腳上的并聯(lián)穩(wěn)壓器防止 VSTORE 充電至高于 5.3V。運用一個典型的 40mm2 TEG，LTC3109 可以用低至 2°C 的 ∆T 工作，從而使該器件適用于種類繁多的能量收集應(yīng)用。較大的 ∆T 使 LTC3109 能提供更大的平均輸出電流。該轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線如圖 3 所示，這條曲線說明 LTC3109 用任一極性的輸入電壓都能同樣良好地發(fā)揮作用。

圖 3：LTC3109 輸出電流隨輸入電壓的變化

熱電發(fā)生器

熱電發(fā)生器 (TEG) 其實就是熱電模塊，它利用塞貝克 (Seebeck) 效應(yīng)將設(shè)備上的溫差 (以及由于溫差所導(dǎo)致的流過設(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 4 示出了 TEG 的機械構(gòu)造。

圖 4：TEG 的典型機械構(gòu)造

有些制造商將 TEG 與 TEC 區(qū)分開來。當(dāng)作為 TEG 銷售時，通常意味著用于裝配模塊內(nèi)部電偶的焊料具有較高的熔點，故可在較高的溫度和溫差條件下工作，因而能夠提供高于標(biāo)準(zhǔn) TEC (其最大溫度通常限制在 125°C) 的輸出功率。大多數(shù)低功率能量收集應(yīng)用不會遇到高溫或高溫差的情況。TEG 的尺寸和電氣規(guī)格多種多樣。大多數(shù)常見的模塊都是方形的，每邊的長度從10mm到50mm不等，厚度一般為2mm~5mm。

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 0.5Ω 至 10Ω 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)目同時也將增加 TEG 的串聯(lián)電阻，從而導(dǎo)致在加載時產(chǎn)生較大的壓降。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(jìn)行補償，以在保持低電阻的同時仍然提供一個較高的輸出電壓。在選擇 TEG 并使其與散熱器相匹配的過程中，TEG 的熱阻是另一個需要考慮的因素。

負(fù)載匹配

為了從任何電壓源抽取最大功率，負(fù)載阻抗必須與電源的內(nèi)阻匹配。圖 5 所示的例子說明了這一點，在該例中，開路電壓為 100mV、電源阻抗為 1Ω 或 3Ω 的電壓源驅(qū)動一個負(fù)載電阻器。

圖 5：電壓電源驅(qū)動阻性負(fù)載的簡化原理圖

圖 6 顯示了提供給負(fù)載的功率，該功率是負(fù)載電阻的函數(shù)。在每條曲線中都可以看到，當(dāng)負(fù)載電阻與電源電阻匹配時，提供給負(fù)載的功率最大。

圖 6：電源的輸出功率是負(fù)載電阻的函數(shù)

LTC3109 對輸入電源呈現(xiàn)出 2.5Ω 的最小輸入電阻。(請注意，這是轉(zhuǎn)換器的輸入電阻，而不是該 IC 本身的輸入電阻。) 這一電阻值落在大多數(shù) TEG 電源電阻范圍的中間部份，從而提供了良好的負(fù)載匹配，以實現(xiàn)接近最佳的功率傳遞。LTC3109 設(shè)計為: 隨著 VIN 下降，輸入電阻增大。這一特點允許 LTC3109 很好地適應(yīng)具不同源電阻的 TEG。

為發(fā)電選擇 TEG

大多數(shù)熱電模塊制造商都不提供輸出電壓或輸出功率隨溫差變化的數(shù)據(jù)，而這正是熱能收集器設(shè)計師想看到的東西。其他一些可能有用的 TEG 參數(shù)是電氣 (AC) 電阻和熱阻。制造商也不總是提供這些參數(shù)。兩個總是提供的參數(shù)是 VMAX 和 IMAX，這是特定模塊 (當(dāng)受到加熱 / 冷卻應(yīng)用驅(qū)動時) 的最大工作電壓和最大工作電流。VMAX 除以 IMAX 將得到該模塊電阻的近似值。

如果有大量熱流可用，那么在 TEG 的一側(cè)可以提供充分的散熱，為發(fā)電而選擇熱電模塊時，一個良好的經(jīng)驗法則是，就給定尺寸而言，選擇 (VMAX * IMAX) 之積最大的模塊。這樣選擇以后，一般能提供最高的 TEG 輸出電壓和最低的電源電阻。使用這個經(jīng)驗法則時，有一點需要提醒的是，散熱器的尺寸必須按照 TEG 的大小確定。為了實現(xiàn)最佳性能，較大的 TEG 需要較大的散熱器。請注意，電阻如果已給定，那么給定的是 AC 電阻，因為利用傳統(tǒng)方法，該電阻無法用 DC 電流測量，DC 電流會產(chǎn)生席貝克電壓，而該電壓又會導(dǎo)致錯誤的電阻讀數(shù)。就可用熱流有限和 / 或必須使用較小散熱器的應(yīng)用而言，最好選擇其熱阻與最大可用散熱器匹配的 TEG 。

圖 7 顯示，在 1°C 至 20°C 的 ∆T 范圍內(nèi)，一個 30mm2 的 TEG 之輸出電壓和最大輸出功率。在這一溫差范圍內(nèi)，輸出功率從數(shù)百微瓦變化到數(shù)十毫瓦。注意功率曲線假設(shè)一個理想負(fù)載匹配并且沒有轉(zhuǎn)換損耗。最終，由 LTC3109 將其升高到更高的電壓后，由于電源轉(zhuǎn)換損失，可用輸出功率會變小。LTC3109 的數(shù)據(jù)表針對幾種不同工作條件，提供了幾條可用輸出功率曲線。

圖 7：采用一個 30mm2 TEG 時的開路電壓和最大功率耗散

就給定應(yīng)用而言，所需 TEG 的尺寸取決于最小可用 ∆T、負(fù)載所需的最大平均功率以及用來保持 TEG 一側(cè)處于環(huán)境溫度的散熱器熱阻。

熱考慮

當(dāng)在溫度不同的兩個表面之間放置一個 TEG 時，加入 TEG 之前的“開路”溫差高于放置 TEG 之后 TEG 兩側(cè)的溫差。這是因為， TEG 本身的兩個面板之間有相當(dāng)?shù)偷臒嶙?(典型值為 1°C/W 至 10°C/W)。

例如，考慮以下情況，一個正在運行的大型機器之表面溫度為 35°C，周圍環(huán)境溫度為 25°C。將一個 TEG 安裝到該機器上時，必須給該 TEG 溫度較低 (環(huán)境溫度) 的一側(cè)增加散熱器，否則，整個 TEG 會受熱升高到接近 35°C，從而消除了任何溫度差。請記住，輸出電功率是通過 TEG 的熱流產(chǎn)生的。

在這個例子中，散熱器和 TEG 的熱阻決定，在 TEG 兩側(cè)總共存在多大的 ∆T。該系統(tǒng)的簡單熱模型如圖 8 所示。

圖 8： TEG 和散熱器的熱阻模型

假定熱源的熱阻 (RS) 可以忽略不計，TEG 的熱阻 (RTEG) 為 6°C/W，散熱器的熱阻為 6°C/W，那么 TEG 上產(chǎn)生的 ∆T 僅為 5°C。從一個其上僅有幾度溫差的 TEG 僅能產(chǎn)生很低的輸出電壓，這突出顯示了 LTC3109 能用超低輸入電壓工作所具有的重要性。

請注意，與較小的 TEG 相比，較大的 TEG 因為表面積較大，所以通常有較低的熱阻。因此，在應(yīng)用中，若在 TEG 一側(cè)使用相對較小的散熱器，那么與較小的 TEG 相比，較大的 TEG 上的 ∆T 將較小，因此也許未必提供更大的輸出功率。在任何情況下，使用具最低熱阻的散熱器，都能通過最大限度地增大 TEG 上的溫差，而最大限度地增大電輸出。

對于有較大溫差 (即較高的輸入電壓) 可用的應(yīng)用而言，匝數(shù)比較小的變壓器 (例如 1:50 或 1:20) 可用來提供較大的輸出電流。作為一個一般性的規(guī)則，在有負(fù)載情況下，如果最低輸入電壓至少為 50mV，那么建議使用 1：50 的匝數(shù)比。如果最低輸入電壓至少為 150mV，那么建議使用 1：20 的匝數(shù)比。

具電池備份的超低功率應(yīng)用

有些應(yīng)用是連續(xù)運行的。這類應(yīng)用傳統(tǒng)上由小型主電池供電 (例如 3V 鋰離子幣形電池)。如果功率需求足夠低，那么這類應(yīng)用可以靠熱量收集連續(xù)供電，或者可以利用熱量收集來極大地延長電池壽命，從而降低維護(hù)成本。當(dāng)所有電子產(chǎn)品消耗的功率低于能量收集電源能提供的功率時，只要 TEG 上存在溫差，LTC3109 能連續(xù)給負(fù)載供電。在這種情況下，電池上沒有負(fù)載。當(dāng)收集的能量不夠用時，備份電池?zé)o縫地加入進(jìn)來，并給負(fù)載供電。

結(jié)論

LTC3109 能獨特地以低至 ±30mV 的輸入電壓工作，提供了一種簡單和高效的電源管理解決方案，該解決方案使得能從常見的熱電器件利用熱能收集給無線傳感器以及其他低功率應(yīng)用供電。LTC3109 采用 20 引腳 QFN 或 SSOP 封裝，提供前所未有的低壓能力和高集成度，以最大限度地減小解決方案尺寸。LTC3109 與現(xiàn)有低功率基本構(gòu)件無縫連接，以支持自主工作的無線傳感器，并在關(guān)鍵電池備份應(yīng)用中延長電池壽命。