一種無線傳感器的能量收集的實(shí)現(xiàn)

　　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(gè)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(shí)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(shí)，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(VOUT=5V)

　　9 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(gè)例子中，TEG上至少有2°C的溫差可用，因此選擇1:50的變壓器升壓比，以在2°C至10°CΔT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(shí)，該電路能夠依靠低至2°C的溫差啟動(dòng)并對VOUT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(gè)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(dòng)。

　　圖13：由一個(gè)TEG來供電的無線傳感器應(yīng)用

　　在圖13所示的例子中，2.2VLDO輸出負(fù)責(zé)給微處理器供電，而VOUT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)VOUT(VOUT2)由微處理器控制，以僅在需要時(shí)給3.3V傳感器供電。當(dāng)VOUT達(dá)到其穩(wěn)定值的93%時(shí)，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(shí)保持運(yùn)作，在后臺從VSTORE引腳給0.1F存儲電容器充電。這個(gè)電容器可以一路充電至高達(dá)VAUX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(dòng)地由存儲電容器提供能量，以給該IC供電，并保持VLDO和VOUT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(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VOUT有0.33V的下降。請注意，IPULSE包括VLDO和VOUT2以及VOUT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。

　　COUT(μF)=IPULSE(mA)tPULSE(ms)/dVOUT

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

　　采用所示的TEG，在ΔT為5°C時(shí)工作，那么LTC3108在3.3V時(shí)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VOUT存儲電容器充電需要花多長時(shí)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VLDO和VOUT上的負(fù)載非常小(相對于560μA)，那么VOUT最初的充電時(shí)間為：

　　tCHARGE=470μF3.3V/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3.3V560μA=1.85mW)除以脈沖期間所需的功率(在本例情況下為3.3V15mA=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(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電容器充電。在該場合中，VSTORE電容器提供的存儲時(shí)間利用以下公式來計(jì)算：

　　tSTORE=0.1F(5.25V-3.3V)/(6μA+15mA0.01/0.5)=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(shí)間，或支持總共1274個(gè)發(fā)送脈沖。

　　10 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(gè)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(dòng)一個(gè)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2.2VLDO輸出來供電，且總電流消耗小于200μA，只要TEG上至少存在3°C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(shí)，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