超低電壓能量收集器利用廢熱為無(wú)線(xiàn)傳感器供電

脈沖負(fù)載應(yīng)用設(shè)計(jì)例子
由 TEG 供電的典型無(wú)線(xiàn)傳感器應(yīng)用如圖 3 所示。在這個(gè)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(shí)現(xiàn)最高的輸出功率。

圖 3：無(wú)線(xiàn)傳感器應(yīng)用例子

LTC3108 提供一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)傳感器所需的多個(gè)輸出。2.2V LDO 輸出給微處理器供電，而 VOUT 利用 VS1 和 VS2 引腳設(shè)定到 3.3V，以給 RF 發(fā)送器供電。開(kāi)關(guān) V_OUT (V_OUT2) 由微處理器控制，以?xún)H在需要時(shí)給 3.3V 傳感器供電。當(dāng) V_OUT 達(dá)到穩(wěn)定值的 93% 時(shí)，PGOOD 輸出向微處理器發(fā)出指示信號(hào)。為了在輸入電壓不存在時(shí)保持工作，在后臺(tái)從 V_STORE 引腳給 0.1F 存儲(chǔ)電容器充電。這個(gè)電容器可以充電至高達(dá) V_AUX 并聯(lián)穩(wěn)壓器的 5.25V 箝位電壓。如果失去輸入電壓源，那么就自動(dòng)由存儲(chǔ)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。

根據(jù)以下公式確定 C_OUT 存儲(chǔ)電容器的大小，以在 10ms 的持續(xù)時(shí)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(qǐng)注意，I_PULSE 包括 V_LDO 和 V_OUT2 以及 V_OUT 上的負(fù)載，但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。

考慮到這些要求，C必須至少為 454µF，因此選擇了一個(gè) 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(shí)工作，那么 LTC3108 在 3.3V 時(shí)提供的平均充電電流約為 560µA。用這些數(shù)據(jù)，我們可以計(jì)算出，首次給 V_OUT 存儲(chǔ)電容器充電需要花多長(zhǎng)時(shí)間，以及該電路能以多大頻度發(fā)送脈沖。假定充電階段 V_LDO 和 V_OUT 上的負(fù)載非常小，那么 V_OUT 最初的充電時(shí)間為：

假定發(fā)送脈沖之間的負(fù)載電流非常小，那么一種簡(jiǎn)單估計(jì)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(qǐng)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，那么會(huì)沒(méi)有剩余的收集能量給存儲(chǔ)電容器充電。因此，在這個(gè)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(chǔ)電容器充電。V_STORE 電容器提供的存儲(chǔ)時(shí)間利用以下公式計(jì)算：

上述計(jì)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(fù)載極小。一旦存儲(chǔ)電容器達(dá)到滿(mǎn)充電狀態(tài)，它就能以 2Hz 的發(fā)送速率支持負(fù)載 637 秒，或支持總共 1274 個(gè)發(fā)送脈沖。

熱量收集應(yīng)用需要自動(dòng)極性
有些熱量收集應(yīng)用 (如無(wú)線(xiàn) HVAC 傳感器或地?zé)峁╇姷膫鞲衅? 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?yàn)?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(yùn)用兩個(gè)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(gè) LDO、一個(gè)數(shù)字可編程的輸出電壓、一個(gè)電源良好輸出、一個(gè)開(kāi)關(guān)輸出和一個(gè)能量存儲(chǔ)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(dòng)極性應(yīng)用中的一個(gè)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(xiàn)說(shuō)明，該器件在任一極性的輸入電壓時(shí)，都能同樣良好地工作。

圖 4：自動(dòng)極性應(yīng)用例子

圖 5：圖 4 中轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線(xiàn)

結(jié)論
LTC3108 和 LTC3109 能獨(dú)特地在輸入電壓低至 20mV 時(shí)工作，或者以非常低的任一極性電壓工作，提供了簡(jiǎn)單和有效的電源管理解決方案，能實(shí)現(xiàn)熱能收集，可用常見(jiàn)熱電器件為無(wú)線(xiàn)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(gòu)件無(wú)縫連接所需的所有輸出，以支持自主型無(wú)線(xiàn)傳感器應(yīng)用。