基于無線傳感器超低功率能量收集器的供電系統(tǒng)設計

測量和控制所需的超低功率無線傳感器用量的激增、再加上新型能量采集技術(shù)的運用，使得能夠制造出由局部環(huán)境能量而非電池供電的全自主型系統(tǒng)。

測量和控制所需的超低功率無線傳感器用量的激增、再加上新型能量采集技術(shù)的運用，使得能夠制造出由局部環(huán)境能量而非電池供電的全自主型系統(tǒng)。

在替換或維護電池不方便、昂貴或危險時，這顯然是有好處的。由收集能量供電的傳感器節(jié)點可以在樓宇自動化、無線 / 自動測量、前瞻性維護、和其他很多工業(yè)、軍事、汽車和消費類應用中使用。能量收集的好處是顯而易見的，但是有效的能量收集系統(tǒng)需要智能電源管理電路，以將微量免費能量轉(zhuǎn)換成無線傳感器系統(tǒng)可使用的形式。

歸根結(jié)底是占空比問題

很多無線傳感器系統(tǒng)消耗非常低的平均功率，從而成為由收集的能量供電的主要對象。因為傳感器節(jié)點常常用來監(jiān)視緩慢變化的物理量，所以可以不經(jīng)常進行測量，也不需要經(jīng)常發(fā)送測量數(shù)據(jù)，因此傳感器節(jié)點是以非常低的占空比工作的，相應地，平均功率需求也很小。例如，如果一個傳感器系統(tǒng)在工作時需要 3.3V/30mA （100mW），但是每 10s 僅有 10ms 時間在工作，那么所需平均功率僅為 0.1mW，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) uA。

電源管理：迄今為止在能量收集中仍然缺失的一環(huán)

僅消耗 uW 功率的微處理器和模擬傳感器以及小型、低成本、低功率 RF 收發(fā)器得到了廣泛采用。在實現(xiàn)實際的能量收集系統(tǒng)時，缺失的一環(huán)始終是可以靠一個或多個常見免費能源工作的電源轉(zhuǎn)換器 / 電源管理構(gòu)件。LTC3108 能在輸入電壓低至 20mV 時啟動，為熱能收集補上了缺失的這一環(huán)。LTC3108 采用 3mm x 4mm x 0.75mm 12 引腳 DFN 或 16 引腳 SSOP 封裝，為用熱電發(fā)生器 （TEG）、以低至 1°C 的溫度差 （?T） 給無線傳感器供電提供了一個緊湊、簡單和高度集成的電源管理解決方案。

參見圖 1，LTC3108 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。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。變壓器的次級繞組向充電泵和整流器電路饋送電壓，然后給該 IC 供電，并給輸出電容器充電。2.2V LDO 的輸出設計成首先進入穩(wěn)定狀態(tài)，以盡快給微處理器供電。然后，給主輸出電容器充電至由 VS1 和 VS2 引腳設定的電壓 （2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V），以給傳感器、模擬電路或 RF 收發(fā)器供電。當無線傳感器工作并發(fā)送數(shù)據(jù)因而出現(xiàn)低占空比負載脈沖時，VOUT 存儲電容器提供所需的突發(fā)能量。還提供一個開關輸出 （VOUT2），以給沒有停機或休眠模式的電路供電。電源良好輸出提醒主機，主輸出電壓接近其穩(wěn)定值了。一旦 VOUT 進入穩(wěn)定狀態(tài)，那么所收集的電流就被導向 VSTORE 引腳，以給可選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，那么這個存儲組件就可用來給系統(tǒng)供電。還有一個 LTC3108-1 版本的器件，除了提供一套不同的可選輸出電壓 （2.5V、3.0V、3.7V 或 4.5V） 以外，與 LTC3108 完全相同。
　

圖 1：LTC3108 方框圖

熱電發(fā)生器的基本原理

熱電發(fā)生器 （TEG） 其實就是逆向工作的熱電冷卻器 （TEC）。熱電發(fā)生器應用席貝克效應 （Seebeck Effect） 將設備 （通過該設備產(chǎn)生熱量流動） 上的溫度差轉(zhuǎn)換成電壓。輸出電壓的幅度和極性取決于 TEG 上溫度差的幅度和極性。如果 TEG 的熱端和冷端掉換過來，那么輸出電壓就改變極性。TEG 可以用一個受溫度影響的電壓源模型加一個串聯(lián)電阻 （規(guī)定為 AC 電阻） 來代表。

TEG 的尺寸和電氣規(guī)格多種多樣。大多數(shù)模組都是方形的，每邊的長度從 10mm 至 50mm 不等，標準厚度為 2mm 至 5mm。它們的開路輸出電壓視尺寸不同而不同，范圍為 10mV/K 至 50mV/K。一般而言，對于給定的 ?T，較大的模組可提供較大的 VOUT，但是有更高的 AC 阻抗和更低的熱阻。就給定應用而言，所需要的 TEG 大小取決于可用的 ?T、負載需要的最大平均功率、以及用來冷卻 TEG 一側(cè)的散熱器熱阻。

為了從 TEG 抽取可獲得的最大功率，轉(zhuǎn)換器輸入阻抗必須相對于 TEG AC 電阻提供合理的負載匹配。LTC3108 轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)約 2.5? 的輸入阻抗，這剛好在大多數(shù) TEG AC 電阻 （0.5? 至 7.5?） 范圍的中間。

需要考慮的熱量問題

當在一個溫暖的表面放置 TEG 以收集能量時，必須給 TEG 溫度較低的一側(cè)增加散熱器，以允許熱量傳送到周圍空氣中。由于散熱器的熱阻，在 TEG 上呈現(xiàn)的 ?T 將低于溫暖表面和環(huán)境之間的溫度差，因為 TEG 具有相對較低的熱阻 （典型情況下在 1°C/W 至 20°C/W 范圍內(nèi)）。

參見圖 2 所示的簡單熱模型，考慮如下例子，一個大型機器在周圍環(huán)境溫度為 25°C、表面溫度為 35°C 的情況下工作。將一個 TEG 連接到這臺機器上，同時在 TEG 溫度較低 （環(huán)境溫度） 的一側(cè)加上一個散熱器。
　　

圖 2：TEG 和散熱器簡單的熱模型

散熱器和 TEG 的熱阻確定了 10oC總溫差 （?T） 的哪一部分存在于 TEG 的兩端。假定熱源 （RS） 的熱阻可忽略不計，如果 TEG 的熱阻 （RTEG） 為 4°C/W，散熱器的熱阻 （RHS） 也為 4°C/W，那么落在 TEG 上的 ?T 僅為 5°C。

由于較大的 TEG 表面積增大了，所以大型 TEG 比小型 TEG 熱阻低，因此需要較大的散熱器才有利。在受到尺寸或成本限制而必須使用相對較小的散熱器的應用中，較小的 TEG 也許比大型 TEG 提供更多的輸出功率。熱阻等于或小于 TEG 熱阻的散熱器可最大限度地提高 TEG 上的溫度差，因此能最大限度地提高電輸出。

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 VOUT （VOUT2） 由微處理器控制，以僅在需要時給 3.3V 傳感器供電。當 VOUT 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 VSTORE 引腳給 0.1F 存儲電容器充電。這個電容器可以充電至高達 VAUX 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 VLDO 和 VOUT 的穩(wěn)定。

根據(jù)以下公式確定 COUT 存儲電容器的大小，以在 10ms 的持續(xù)時間內(nèi)支持 15mA 的總負載脈沖，從而在負載脈沖期間允許 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 454?F，因此選擇了一個 470F 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 560?A。用這些數(shù)據(jù)，我們可以計算出，首次給 VOUT 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 VLDO 和 VOUT 上的負載非常小，那么 VOUT 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 ? 560?A = 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。VSTORE 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(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 4：自動極性應用例子

結(jié)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(gòu)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。