超低電壓能量收集器采用熱電發(fā)生器為無電池?zé)o線傳感器供電

測量和控制所需的超低功率無線傳感器節(jié)點(diǎn)的激增，再加上新型能量收集技術(shù)的運(yùn)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(fèi)”能量來為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電是富有吸引力的，因?yàn)樗軌驅(qū)﹄姵鼗驅(qū)Ь€供電提供補(bǔ)充、甚至完全無需使用電池或供電導(dǎo)線。當(dāng)更換或檢修電池存在不便、費(fèi)用昂貴或危險之時，這顯然是一大優(yōu)勢。

    而且，完全取消供電導(dǎo)線還使大規(guī)模擴(kuò)展監(jiān)視與控制系統(tǒng)變得輕而易舉。能量收集無線傳感器系統(tǒng)簡化了眾多領(lǐng)域中的安裝和維護(hù)工作，例如：樓宇自動化、無線 / 自動化儀表計(jì)量和前瞻性維護(hù)，以及諸多其他的工業(yè)、軍事、汽車和消費(fèi)類應(yīng)用。

    能量收集的好處是顯而易見的，不過，有效的能量收集系統(tǒng)需要使用智能型的電源管理方案，以把微弱的免費(fèi)能量轉(zhuǎn)換為一種無線傳感器系統(tǒng)可以使用的形式。

歸根到底是占空比的問題
    許多無線傳感器系統(tǒng)的平均功率消耗非常之低，從而使其成為可利用能量收集技術(shù)進(jìn)行供電的主要候選對象。很多傳感器節(jié)點(diǎn)用于監(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，平均功率需求也很低。

    例如：若一個傳感器系統(tǒng)處于喚醒狀態(tài)時的需要 3.3V/30mA (100mW) 的功率，但在每秒時間里只運(yùn)行 10ms，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(jìn)行一次采樣和傳送，則平均功率將驟降至 20μW 以下。由于大多數(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，有時甚至僅幾 μW)，因此這種功率需求量的差異是很重要的。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(yùn)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：

•它們的電輸出未經(jīng)穩(wěn)壓且不適合直接用于給電子電路供電
  •它們可能無法提供一個連續(xù)和不間斷的電源
  •它們往往只產(chǎn)生非常低的平均輸出功率 (通常在 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(jìn)行明智而審慎的電源管理。

電源管理：迄今為止在能量收集中仍然缺失的一環(huán)
    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)件成都已經(jīng)用了有一段時間。比如：運(yùn)行功率僅數(shù) μW 的微處理器以及功耗同樣非常之低、具成本效益的小型射頻 (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：典型的無線傳感器方框圖

在實(shí)現(xiàn)這種能量收集系統(tǒng)鏈路時，缺失的一環(huán)始終是可以靠一個或多個常見免費(fèi)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)具有小巧和易用的特點(diǎn)，在依靠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(yùn)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(shí)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。

    采用 3mm x 4mm x 0.75mm 12 引腳 DFN 封裝或 16 引腳 SSOP 封裝的LTC3108 解決了超低輸入電壓應(yīng)用的能量收集問題。該器件提供了一款緊湊、簡單和高度集成的單片式電源管理解決方案，能在輸入電壓低至 20mV 的情況下正常運(yùn)作。憑借這種獨(dú)特的能力，LTC3108 可利用一個熱電發(fā)生器 (TEG) 來為無線傳感器供電，并從小至 1ºC 的溫度差 (ΔT) 收集能量。采用一個現(xiàn)成有售的小型 (6mm x 6mm) 升壓變壓器和少量的低成本電容器，該器件即可提供用于給當(dāng)今的無線傳感器電子線路供電所需的穩(wěn)定輸出電壓。

LTC3108 采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，可依靠非常低的輸入電壓來工作。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。變壓器的副端繞組向充電泵和整流器電路饋送電壓，此電壓隨后用于給該 IC 供電 (通過 V_AUX 引腳)，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)，以盡快給一個低功率微處理器供電。然后，將主輸出電容器充電至由 VS1 和 VS2 引腳設(shè)置的電壓 (2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V)，用于給傳感器、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)因而出現(xiàn)低占空比負(fù)載脈沖時，V_OUT存儲電容器提供所需的突發(fā)能量。另外還提供了一個可由主機(jī)輕松加以控制的開關(guān)輸出 (V_OUT2)，以給不具備停機(jī)或低功率睡眠模式的電路供電。該器件具有一個電源良好輸出，用于在主輸出電壓接近其穩(wěn)定值時向主機(jī)發(fā)出警示信號。圖 2 示出了 LTC3108 的方框圖。LTC3108-1版本的器件除了提供一組不同的可選輸出電壓 (2.5V、3.0V、3.7V 或 4.5V) 以外，其他則與 LTC3108 完全相同。

圖 2：LTC3108 的方框圖

一旦V_OUT 充電并進(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，以給一個可任選的大型存儲電容器或可再充電電池充電。如果能量收集電源是間歇性的，那么這個存儲元件就可用來保持穩(wěn)壓狀態(tài)并給系統(tǒng)供電。上電及斷電期間的輸出電壓排序可見于圖 3。V_AUX 引腳上的一個并聯(lián)穩(wěn)壓器可防止V_STORE 被充電至 5.3V 以上。

 
圖 3：上電及斷電期間的電壓排序

采用一個邊長 40mm 的標(biāo)準(zhǔn)方形 TEG，LTC3108 能依靠低至 1ºC 的 ΔT 來工作，從而使其適用于眾多的能量收集應(yīng)用。在ΔT 較高的情況下，LTC3108 將能夠提供一個較高的平均輸出電流。

熱電發(fā)生器的基本原理
    熱電發(fā)生器 (TEG) 其實(shí)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)生溫度差，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 4 示出了 TEG 的機(jī)械構(gòu)造。

圖 4：TEG 的構(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(diǎn)，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 125ºC) 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 10mV/K 至 50mV/K 溫差 (取決于電偶的數(shù)目)，并具有 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(jì)對此進(jìn)行補(bǔ)償，以在保持低電阻的同時仍然提供較高的輸出電壓。

負(fù)載匹配
    為了從任意電壓電源吸取可獲得的最大功率，負(fù)載電阻必須與電源的內(nèi)阻相匹配。圖 5 中的實(shí)例說明了這一點(diǎn)，此處，一個具有 100mV 開路電壓和 1Ω 或 3Ω 源電阻的電壓電源用于驅(qū)動一個負(fù)載電阻器。圖 6 示出了輸送至負(fù)載的功率與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系。在每一根曲線中都可以看出：當(dāng)負(fù)載電阻與源電阻匹配時，輸送至負(fù)載的功率達(dá)到最大。不過，當(dāng)源電阻低于負(fù)載電阻時，輸送的功率也許并非可能的最大值，而是比一個較高的源電阻驅(qū)動一個匹配負(fù)載時 (本例中為 0.8mW) 更高 (本例中為 1.9mW)，注意到這一點(diǎn)同樣很重要。選擇具有最低電阻的 TEG 可提供最大輸出功率的原因即在于此。

 
圖 5：電壓電源驅(qū)動阻性負(fù)載的簡化原理圖
 

圖 6：電源的輸出功率與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系

LTC3108 給輸入電源提供了一個約 2.5Ω 的最小輸入電阻。(請注意：這是轉(zhuǎn)換器而不是 IC 本身的輸入電阻。) 這處于大多數(shù) TEG 源電阻范圍的中間，從而為實(shí)現(xiàn)近乎最佳的功率傳輸提供了優(yōu)良的負(fù)載匹配。LTC3108 的設(shè)計(jì)是：當(dāng) V_IN 下降時，輸入電阻增大 (如圖 7 所示)。該特性令 LTC3108 能夠很好地適應(yīng)具有不同源電阻的 TEG。

 
圖 7：LTC3108 的輸入電阻與 V_IN 的關(guān)系曲線 (采用 1:100 匝數(shù)比)

由于轉(zhuǎn)換器的輸入電阻相當(dāng)?shù)?，因此無論負(fù)載大小如何它都將從電源吸收電流。以圖 8 所示為例：當(dāng)采用一個 100mV 輸入時，轉(zhuǎn)換器從電源吸收約 37mA 的電流。不可把該輸入電流誤當(dāng)作 IC 本身所需的為其內(nèi)部電路供電的 6μA 靜態(tài)電流 (取自 V_AUX)。當(dāng)在極低電壓條件下啟動或依靠一個存儲電容器來工作時，低靜態(tài)電流的意義最為重大。

 
圖 8：LTC3108 的輸入電流與 V_IN 的關(guān)系曲線 (采用 1:100 匝數(shù)比)

選擇用于發(fā)電的 TEG
    大多數(shù)熱電模塊制造商均未提供有關(guān)輸出電壓或輸出功率與溫差之間關(guān)系的數(shù)據(jù)，而這恰恰是熱能收集器設(shè)計(jì)人員所希望了解的。始終提供的兩個參數(shù)是 V_MAX 和 I_MAX，即某個特定模塊的最大工作電壓和最大工作電流 (當(dāng)在某種加熱 / 冷卻應(yīng)用中處于驅(qū)動狀態(tài)時)。

    在選擇針對發(fā)電用途的熱電模塊時，上佳的經(jīng)驗(yàn)法則是在給定的尺寸下選擇具有最大 (V_MAX • I_MAX) 乘積的模塊。這通常將提供最高的 TEG 輸出電壓和最低的源電阻。對此經(jīng)驗(yàn)法則有一條附加說明，這就是散熱器的尺寸必須根據(jù) TEG 的尺寸來確定。較大的 TEG 需要大一些的散熱器來實(shí)現(xiàn)最佳的性能。需要注意的是，制造商如果提供了電阻參數(shù)的話，那么指的是 AC 電阻，這是因?yàn)樗鼰o法使用 DC 電流以傳統(tǒng)的方式來測量 (DC 電流會引發(fā) Seebeck 電壓，從而產(chǎn)生錯誤的電阻讀數(shù))。圖 9 是一幅曲線圖，給出了采用 13 種不同的 TEG 時 (固定 ΔT = 5ºC) LTC3108 的功率輸出與每個模塊的 (V_MAX • I_MAX) 乘積的關(guān)系曲線。由圖可見，當(dāng) VI 乘積較高時，LTC3108 提供的輸出功率通常也較高。

 
圖 9：LTC3108 輸出功率與具有不同 V 和 I 乘積的 TEG 關(guān)系曲線

圖 10 示出了一個邊長 30mm 的方形 TEG 在 1ºC 至 20ºC 的 ΔT 范圍內(nèi)輸出電壓及最大輸出功率能力。在該 ΔT 范圍內(nèi)，輸出功率從幾百 μW 到幾十 mW 不等。需要指出的是：該功率曲線是在假設(shè)擁有理想的負(fù)載匹配且無轉(zhuǎn)換損耗的情況下得出的。最后，在利用 LTC3108 提升至一個較高電壓之后可獲得的輸出功率將由于功率轉(zhuǎn)換損耗的原因而低于圖中示出的數(shù)值。LTC3108 的產(chǎn)品手冊中給出了幾幅在多種不同工作條件下可提供輸出功率的曲線圖。

 
圖 10：典型 TEG 的開路電壓及最大功率輸出

就給定應(yīng)用而言，所需要的 TEG 尺寸取決于可用的最小 ΔT、負(fù)載所需的最大平均功率、以及用于將 TEG 的一端保持于環(huán)境溫度的散熱器的熱阻。LTC3108 的最大功率輸出位于 15µW/K-cm² 至 30µW/K-cm² 之間，具體數(shù)值取決于所選擇的變壓器匝數(shù)比和特定的 TEG。表1 羅列了一些推薦使用的 TEG 器件型號。

表1 :推薦使用的 TEG器件

    需要考慮的熱量問題
    當(dāng)把一個 TEG 置于兩個處于不同溫度的面之間時，在加入 TEG 之前的“開路”溫差高于 TEG 放置到位時其上的溫差。這是由于 TEG 本身在其陶瓷板之間具有一個相當(dāng)?shù)偷臒嶙?(通常為 1ºC/W 至 10ºC/W) 所致。

    考慮如下的例子，一部大型機(jī)器在周圍環(huán)境溫度為 25ºC 以及表面溫度為 35ºC 的情況下工作。當(dāng)將一個 TEG 連接到這臺機(jī)器時，必須同時在 TEG 溫度較低 (環(huán)境溫度) 的一端加上一個散熱器，否則整個 TEG 將升溫至接近 35ºC，從而消除掉所有的溫差。需要牢記一點(diǎn)：電輸出功率正是產(chǎn)生自流過 TEG 的熱量。

    在該例中，散熱器和 TEG 的熱阻確定了總溫差 (ΔT) 的哪一部分存在于 TEG 的兩端。該系統(tǒng)的簡單熱模型示于圖 11。假定熱源 (RS) 的熱阻可忽略不計(jì)，如果 TEG 的熱阻 (R_TEG) 為 2ºC/W，散熱器的熱阻為 8ºC/W，那么落在 TEG 上的 ΔT 僅為 2ºC。在 TEG 上的溫度只有區(qū)區(qū)幾 ºC 的情況下，其輸出電壓很低，此時 LTC3108 能夠依靠超低輸入電壓工作的重要性就凸顯出來了。

圖 11：TEG 和散熱器的熱阻模型

請注意：由于較大的 TEG 其表面積增大了，所以大型 TEG 通常比小型 TEG 熱阻低。因此，在那些于 TEG 的一端采用了一個較小散熱器的應(yīng)用中，較大的 TEG 上的 ΔT 有可能小于較小的 TEG，故而未必會提供更多的輸出功率。無論在何種情況下，都應(yīng)采用具有盡可能低熱阻的散熱器，以通過最大限度地提高 TEG 上的溫度差來實(shí)現(xiàn)電輸出的最大化。

選擇最佳的變壓器匝數(shù)比
    對于那些可提供較高溫度差 (即較高的輸入電壓) 的應(yīng)用，可以采用一個匝數(shù)比較低 (例如：1:50 或 1:20) 的變壓器以提供較高的輸出電流能力。作為經(jīng)驗(yàn)法則，假如最小輸入電壓在加載時至少為 50mV，則建議采用 1:50 的匝數(shù)比。倘若最小輸入電壓至少為 150mV，那么就建議使用 1:20 的匝數(shù)比。文中討論的所有匝數(shù)比在市面上均有現(xiàn)成可售的 Coilcraft 器件 (包括特定器件型號在內(nèi)的更多信息請查閱 LTC3108 的產(chǎn)品手冊)。圖 12 中的曲線示出了在采用兩種不同的變壓器升壓比及兩種不同尺寸的 TEG 時，LTC3108 在某一溫度差范圍內(nèi)的輸出功率能力。

圖 12：對于兩種 TEG 尺寸及兩種變壓器匝數(shù)比的 LTC3108 輸出功率
與 ∆T 的關(guān)系曲線 (V_OUT = 5V)

脈沖負(fù)載應(yīng)用
    由 TEG 供電的典型無線傳感器應(yīng)用如圖 13 所示。在這個例子中，TEG 上至少有 2ºC 的溫差可用，因此選擇 1:50 的變壓器升壓比，以在 2ºC 至 10ºC ΔT 的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高的輸出功率。當(dāng)采用圖示的 TEG (邊長 40mm 的方形器件，具有 1.25Ω 的電阻) 時，該電路能夠依靠低至 2ºC 的溫差啟動并對 V_OUT 電容器進(jìn)行充電。請注意，在轉(zhuǎn)換器的輸入端上跨接了一個大容量的去耦電容器。在輸入電壓與 TEG 之間提供良好的去耦可最大限度地減小輸入紋波、提升輸出功率能力并在盡可能低的ΔT 條件下啟動。

圖 13：由一個 TEG 來供電的無線傳感器應(yīng)用

在圖 13 所示的例子中，2.2V LDO 輸出負(fù)責(zé)給微處理器供電，而 V_OUT 利用VS1 和 VS2 引腳設(shè)置為 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，以僅在需要時給 3.3V 傳感器供電。當(dāng)V_OUT 達(dá)到其穩(wěn)定值的 93% 時，PGOOD 輸出將向微處理器發(fā)出指示信號。為了在輸入電壓不存在時保持運(yùn)作，在后臺從 V_STORE 引腳給 0.1F 存儲電容器充電。這個電容器可以一路充電至高達(dá) V_AUX 并聯(lián)穩(wěn)壓器的 5.25V 箝位電壓。如果失去了輸入電壓電源，那么就自動地由存儲電容器提供能量，以給該 IC 供電，并保持 V_LDO 和 V_OUT 的穩(wěn)定。

    在本例中，根據(jù)下面的公式來確定 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(fù)載脈沖，從而在負(fù)載脈沖期間允許 V_OUT 有 0.33V 的下降。請注意，I_PULSE 包括 V_LDO 和 V_OUT2 以及 V_OUT 上的負(fù)載，但可用的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。

    C_OUT(μF) = I_PULSE (mA) • t_PULSE (ms) / dV_OUT

    考慮到這些要求，C_OUT 至少須為 454μF，因此選擇了一個 470μF 的電容器。

    采用所示的 TEG，在 ΔT 為 5ºC 時工作，那么 LTC3108 在 3.3V 時可提供的平均充電電流約為 560μA。利用這些數(shù)據(jù)，我們可以計(jì)算出，首次給 V_OUT 存儲電容器充電需要花多長時間，以及該電路能以多大的頻度發(fā)送脈沖。假定在充電階段中 V_LDO 和 V_OUT 上的負(fù)載非常小 (相對于 560μA)，那么 V_OUT 最初的充電時間為：
    
    t_CHARGE = 470μF • 3.3V / 560μA = 2.77s

    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)最大容許發(fā)送速率的方法是用可從 LTC3108 獲得的平均輸出功率 (在本例情況下為 3.3V • 560μA = 1.85mW) 除以脈沖期間所需的功率 (在本例情況下為 3.3V • 15mA = 49.5mW)。收集器能夠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 = 0.27s 或約為 3.7Hz。

    請注意，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，那么將沒有剩余的收集能量用于給存儲電容器充電 (如果需要存儲能力的話)。因此，在這個例子中，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電容器充電。在該場合中，VSTORE 電容器提供的存儲時間利用以下公式來計(jì)算：

    t_STORE = 0.1F • (5.25V - 3.3V) / (6μA + 15mA • 0.01 / 0.5) = 637s

    上述計(jì)算包括 LTC3108 所需的6μA靜態(tài)電流，而且假定發(fā)送脈沖之間的負(fù)載極小。在此場合中，一旦存儲電容器達(dá)到滿充電狀態(tài)，它就能以 2Hz 的發(fā)送速率支持負(fù)載達(dá) 637s 的時間，或支持總共 1274 個發(fā)送脈沖。

利用后備電池的超低功率應(yīng)用
    有些應(yīng)用或許沒有脈沖負(fù)載，但卻可能需要連續(xù)工作。傳統(tǒng)上，此類應(yīng)用由一個小型主電池 (比如：3V幣形鋰電池) 來供電。假如功率需求足夠低，那么這些應(yīng)用就能夠利用熱能收集來連續(xù)供電，或者可以借助熱能收集來極大地延長電池的使用壽命，從而降低維護(hù)成本。

    圖 14 示出了一種利用后備電池來驅(qū)動一個連續(xù)負(fù)載的能量收集應(yīng)用。在該例中，所有的電子線路均全部由 2.2V LDO 輸出來供電，且總電流消耗小于 200μA，只要 TEG 上至少存在 3ºC 的溫度差，LTC3108 就能連續(xù)地給負(fù)載供電。在這些條件下，電池上沒有負(fù)載。當(dāng)可用的收集能量不夠時，3V鋰電池將無縫地“接管”并給負(fù)載供電。

圖 14：具有后備電池的能量收集器

能量存儲替代方案
    對于那些選用可再充電電池來替代主電池以提供備份或能量存儲的應(yīng)用，圖 14 中的二極管可以去掉，并用可再充電的鎳電池或鋰離子電池 (包括新型可再充電薄膜鋰電池) 來替換鋰電池。如果采用的是可再充電的鎳電池，則其自放電電流必須小于 LTC3108 所能供應(yīng)的平均充電電流。如果選用鋰離子電池，則需要增設(shè)額外的電路以保護(hù)其免遭過度充電和過度放電的損壞。另外還有一種存儲替代方案就是具有 5.25V 額定電壓的超級電容器，例如：Cooper-Bussman PB-5ROH104-R。與可再充電電池相比，超級電容器的優(yōu)勢在于擁有更多的充 / 放電次數(shù)，而缺點(diǎn)則是能量密度低得多。

熱量收集應(yīng)用需要自動極性
    有些應(yīng)用 (例如：無線 HVAC 傳感器或地?zé)峁╇姷膫鞲衅? 對能量收集功率轉(zhuǎn)換器提出了另一種獨(dú)特的挑戰(zhàn)。此類應(yīng)用要求能量收集電源管理器不僅能夠依靠非常低的輸入電壓來工作，而且能以任一極性工作，因?yàn)?TEG 上的 ∆T 的極性可能改變。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，二極管橋式整流器不是合適的選項(xiàng)。

LTC3109 是唯一適合克服這種從任一極性的能量源收集能量之挑戰(zhàn)的器件。LTC3109 運(yùn)用具 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(guān)輸出和一個能量存儲輸出。LTC3109 采用 4mm x 4mm 20 引腳 QFN 封裝或 20 引腳 SSOP 封裝。圖 15 顯示了 LTC3109 在自動極性應(yīng)用中的一個典型例子。如圖 16 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。

圖 15：自動極性能量收集器供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)

 
圖 16：圖 15 中轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線

LTC3109 也可以針對單極性操作進(jìn)行配置，采用單個變壓器 (與 LTC3108 相似) 來適應(yīng)那些需要盡可能低的啟動電壓和盡可能高的輸出電流的應(yīng)用。圖 17 中示出的電路可在僅 15mV 的電壓下啟動，該電壓是采用所示的 TEG 在小于 1ºC 的溫差條件下產(chǎn)生的。在10ºC 溫差時，它能夠提供穩(wěn)定的 5V 電壓 (在 0.74mA 電流下)，從而可輸送 3.7mW 的已調(diào)穩(wěn)態(tài)輸出功率。在相同的條件下，這幾乎達(dá)到了 LTC3108 輸出功率的兩倍，如圖 18 所示。

圖 17：采用 LTC3108 的單極性轉(zhuǎn)換器能在僅 15mV 的電壓條件下啟動

 
圖 18：LTC3108 和 LTC3109輸出功率的比較

需要注意：在單極性配置中，LTC3109 對 TEG 呈現(xiàn)出約 1Ω 的負(fù)載電阻，因此應(yīng)選擇一個具有非常低源電阻的 TEG 以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的負(fù)載匹配，否則在單極性配置中使用 LTC3109 將毫無優(yōu)勢可言，這一點(diǎn)很重要。本例中所采用的 TEG 具有 1.0Ω 的標(biāo)稱源電阻，旨在實(shí)現(xiàn)最佳的功率傳輸。

結(jié)論
    LTC3108 和 LTC3109 能獨(dú)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(shí)現(xiàn)熱能收集，以利用常見的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電壓能力和高集成度，可最大限度地縮減解決方案占板面積。LTC3108、LTC3108-1 和 LTC3109 可與現(xiàn)有的低功率單元式部件實(shí)現(xiàn)無縫連接，以支持自主型無線傳感器并延長關(guān)鍵后備電池應(yīng)用中的電池使用壽命。