超低壓轉(zhuǎn)換器推動(dòng)熱電源能量收集的發(fā)展

　　LTC3109 對(duì)輸入電源呈現(xiàn)出 2.5? 的最小輸入電阻。(請(qǐng)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(shí)現(xiàn)接近最佳的功率傳遞。LTC3109 設(shè)計(jì)為: 隨著 VIN 下降，輸入電阻增大。這一特點(diǎn)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(jì)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(gè)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(dòng)時(shí)) 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(shí)，一個(gè)良好的經(jīng)驗(yàn)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(gè)經(jīng)驗(yàn)法則時(shí)，有一點(diǎn)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(shí)現(xiàn)最佳性能，較大的 TEG 需要較大的散熱器。請(qǐng)注意，電阻如果已給定，那么給定的是 AC 電阻，因?yàn)槔脗鹘y(tǒng)方法，該電阻無(wú)法用 DC 電流測(cè)量，DC 電流會(huì)產(chǎn)生席貝克電壓，而該電壓又會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)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(gè) 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(gè)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(huì)變小。LTC3109 的數(shù)據(jù)表針對(duì)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(gè) 30mm2 TEG 時(shí)的開路電壓和最大功率耗散

　　OPEN-CIRCUIT：開路

　　MAX, IDEAL：最大值、理想情況

　　127 COUPLES：127 個(gè)耦合器

　　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(lái)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(gè)表面之間放置一個(gè) TEG 時(shí)，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?yàn)椋?TEG 本身的兩個(gè)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(gè)正在運(yùn)行的大型機(jī)器之表面溫度為 35°C，周圍環(huán)境溫度為 25°C。將一個(gè) TEG 安裝到該機(jī)器上時(shí)，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(gè) TEG 會(huì)受熱升高到接近 35°C，從而消除了任何溫度差。請(qǐng)記住，輸出電功率是通過 TEG 的熱流產(chǎn)生的。

　　在這個(gè)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(jiǎn)單熱模型如圖 8 所示。

　　圖 8： TEG 和散熱器的熱阻模型

　　AMBIENT TEMPERATURE：環(huán)境溫度

　　RTHERMAL OF HEATSINK：散熱器的 RTHERMAL

　　RTHERMAL OF TEG： TEG 的 RTHERMAL

　　RTHERMAL OF HEAT SOURCE：熱源的 RTHERMAL

　　HEAT SOURCE：熱源

　　假定熱源的熱阻 (RS) 可以忽略不計(jì)，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(gè)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(qǐng)注意，與較小的 TEG 相比，較大的 TEG 因?yàn)楸砻娣e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(duì)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(duì)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(lái)提供較大的輸出電流。作為一個(gè)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(yùn)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(lái)極大地延長(zhǎng)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(shí)，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(shí)，備份電池?zé)o縫地加入進(jìn)來(lái)，并給負(fù)載供電。

　　結(jié)論

　　LTC3109 能獨(dú)特地以低至 ±30mV 的輸入電壓工作，提供了一種簡(jiǎn)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(wú)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(wú)縫連接，以支持自主工作的無(wú)線傳感器，并在關(guān)鍵電池備份應(yīng)用中延長(zhǎng)電池壽命。