超低電壓能量收集器利用廢熱為無線傳感器供電

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 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 V_OUT 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 V_STORE 引腳給 0.1F 存儲電容器充電。這個電容器可以充電至高達 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。

根據(jù)以下公式確定 C_OUT 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 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，C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 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頻度發(fā)送脈沖。假定充電階段 V_LDO 和 V_OUT 上的負載非常小，那么 V_OUT 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。V_STORE 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 4：自動極性應用例子

圖 5：圖 4 中轉換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線

結論
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。