超低電壓能量收集器采用熱電發(fā)生器為無(wú)電池?zé)o線傳感器供電

測(cè)量和控制所需的超低功率無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的激增，再加上新型能量收集技術(shù)的運(yùn)用，使得由局部環(huán)境能量而非電池供電的全自主型系統(tǒng)成為可能。利用環(huán)境或“免費(fèi)”能量來(lái)為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電是富有吸引力的，因?yàn)樗軌驅(qū)﹄姵鼗驅(qū)Ь€供電提供補(bǔ)充、甚至完全無(wú)需使用電池或供電導(dǎo)線。當(dāng)更換或檢修電池存在不便、費(fèi)用昂貴或危險(xiǎn)之時(shí)，這顯然是一大優(yōu)勢(shì)。

而且，完全取消供電導(dǎo)線還使大規(guī)模擴(kuò)展監(jiān)視與控制系統(tǒng)變得輕而易舉。能量收集無(wú)線傳感器系統(tǒng)簡(jiǎn)化了眾多領(lǐng)域中的安裝和維護(hù)工作，例如：樓宇自動(dòng)化、無(wú)線 / 自動(dòng)化儀表計(jì)量和前瞻性維護(hù)，以及諸多其他的工業(yè)、軍事、汽車和消費(fèi)類應(yīng)用。

能量收集的好處是顯而易見(jiàn)的，不過(guò)，有效的能量收集系統(tǒng)需要使用智能型的電源管理方案，以把微弱的免費(fèi)能量轉(zhuǎn)換為一種無(wú)線傳感器系統(tǒng)可以使用的形式。

歸根到底是占空比的問(wèn)題
許多無(wú)線傳感器系統(tǒng)的平均功率消耗非常之低，從而使其成為可利用能量收集技術(shù)進(jìn)行供電的主要候選對(duì)象。很多傳感器節(jié)點(diǎn)用于監(jiān)視緩慢變化的物理量。所以可以不經(jīng)常進(jìn)行測(cè)量，也不需要經(jīng)常發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)是以非常低的占空比工作的。相應(yīng)地，平均功率需求也很低。

例如：若一個(gè)傳感器系統(tǒng)處于喚醒狀態(tài)時(shí)的需要 3.3V/30mA (100mW) 的功率，但在每秒時(shí)間里只運(yùn)行 10ms，那么其所需的平均功率僅為 1mW，假定在傳送突發(fā)的間隔期間不工作時(shí)，傳感器系統(tǒng)電流降至數(shù) μA。倘若這個(gè)無(wú)線傳感器只是每分鐘 (而不是每秒鐘) 進(jìn)行一次采樣和傳送，則平均功率將驟降至 20μW 以下。由于大多數(shù)形式的能量收集均提供非常小的穩(wěn)態(tài)功率 (通常只有幾 mW，有時(shí)甚至僅幾 μW)，因此這種功率需求量的差異是很重要的。應(yīng)用所需的平均功率越低，就越有可能采用收集能量來(lái)供電。

能量收集源
可供收集的最常見(jiàn)能量源是振動(dòng) (或運(yùn)動(dòng))、光和熱。用于所有這些能量源的換能器都具有以下的共同特性：

?它們的電輸出未經(jīng)穩(wěn)壓且不適合直接用于給電子電路供電
? ?它們可能無(wú)法提供一個(gè)連續(xù)和不間斷的電源
? ?它們往往只產(chǎn)生非常低的平均輸出功率 (通常在 10μW 至 10mW)

如果想把此類能量源用于給無(wú)線傳感器或其他電子線路供電，就必需針對(duì)上述特性進(jìn)行明智而審慎的電源管理。

電源管理：迄今為止在能量收集中仍然缺失的一環(huán)
由收集能量供電的典型無(wú)線傳感器系統(tǒng)可分解為 5 個(gè)基本構(gòu)件，如圖 1 所示。除了電源管理構(gòu)件之外，所有這些構(gòu)件成都已經(jīng)用了有一段時(shí)間。比如：運(yùn)行功率僅數(shù) μW 的微處理器以及功耗同樣非常之低、具成本效益的小型射頻 (RF) 發(fā)送器和收發(fā)器已被廣泛使用。低功率的模擬和數(shù)字傳感器也是無(wú)處不在。

圖 1：典型的無(wú)線傳感器方框圖

在實(shí)現(xiàn)這種能量收集系統(tǒng)鏈路時(shí)，缺失的一環(huán)始終是可以靠一個(gè)或多個(gè)常見(jiàn)免費(fèi)能源工作的功率轉(zhuǎn)換器 / 電源管理構(gòu)件。能量收集的理想電源管理解決方案應(yīng)具有小巧和易用的特點(diǎn)，在依靠由常見(jiàn)的能量收集源產(chǎn)生的異常高或低電壓工作時(shí)良好地運(yùn)行，并在理想的情況下提供與源阻抗的上佳負(fù)載匹配以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的功率傳輸。電源管理器本身在管理累積能量時(shí)所需消耗的電流必須非常小，且應(yīng)在使用極少分立組件的情況下產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。

采用 3mm x 4mm x 0.75mm 12 引腳 DFN 封裝或 16 引腳 SSOP 封裝的LTC3108 解決了超低輸入電壓應(yīng)用的能量收集問(wèn)題。該器件提供了一款緊湊、簡(jiǎn)單和高度集成的單片式電源管理解決方案，能在輸入電壓低至 20mV 的情況下正常運(yùn)作。憑借這種獨(dú)特的能力，LTC3108 可利用一個(gè)熱電發(fā)生器 (TEG) 來(lái)為無(wú)線傳感器供電，并從小至 1oC 的溫度差 (ΔT) 收集能量。采用一個(gè)現(xiàn)成有售的小型 (6mm x 6mm) 升壓變壓器和少量的低成本電容器，該器件即可提供用于給當(dāng)今的無(wú)線傳感器電子線路供電所需的穩(wěn)定輸出電壓。

LTC3108 采用一個(gè)小的升壓型變壓器和一個(gè)內(nèi)部 MOSFET 形成一個(gè)諧振振蕩器，可依靠非常低的輸入電壓來(lái)工作。變壓器的升壓比為 1:100 時(shí)，該轉(zhuǎn)換器能以低至 20mV 的輸入電壓?jiǎn)?dòng)。變壓器的副端繞組向充電泵和整流器電路饋送電壓，此電壓隨后用于給該 IC 供電 (通過(guò) VAUX 引腳)，并給輸出電容器充電。2.2V LDO的輸出設(shè)計(jì)成首先進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，以盡快給一個(gè)低功率微處理器供電。然后，將主輸出電容器充電至由 VS1 和 VS2 引腳設(shè)置的電壓 (2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V)，用于給傳感器、模擬電路、 RF 收發(fā)器供電，甚至給超級(jí)電容器或電池充電。當(dāng)無(wú)線傳感器工作并發(fā)送數(shù)據(jù)因而出現(xiàn)低占空比負(fù)載脈沖時(shí)，VOUT存儲(chǔ)電容器提供所需的突發(fā)能量。另外還提供了一個(gè)可由主機(jī)輕松加以控制的開(kāi)關(guān)輸出 (VOUT2)，以給不具備停機(jī)或低功率睡眠模式的電路供電。該器件具有一個(gè)電源良好輸出，用于在主輸出電壓接近其穩(wěn)定值時(shí)向主機(jī)發(fā)出警示信號(hào)。圖 2 示出了 LTC3108 的方框圖。LTC3108-1版本的器件除了提供一組不同的可選輸出電壓 (2.5V、3.0V、3.7V 或 4.5V) 以外，其他則與 LTC3108 完全相同。

圖 2：LTC3108 的方框圖

一旦VOUT 充電并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，那么所收集的電流就被導(dǎo)向 VSTORE 引腳，以給一個(gè)可任選的大型存儲(chǔ)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(gè)存儲(chǔ)元件就可用來(lái)保持穩(wěn)壓狀態(tài)并給系統(tǒng)供電。上電及斷電期間的輸出電壓排序可見(jiàn)于圖 3。VAUX 引腳上的一個(gè)并聯(lián)穩(wěn)壓器可防止VSTORE 被充電至 5.3V 以上。

圖 3：上電及斷電期間的電壓排序

采用一個(gè)邊長(zhǎng) 40mm 的標(biāo)準(zhǔn)方形 TEG，LTC3108 能依靠低至 1oC 的 ΔT 來(lái)工作，從而使其適用于眾多的能量收集應(yīng)用。在ΔT 較高的情況下，LTC3108 將能夠提供一個(gè)較高的平均輸出電流。

熱電發(fā)生器的基本原理
熱電發(fā)生器 (TEG) 其實(shí)就是熱電模塊，它利用塞貝克 (Seebeck) 效應(yīng)將設(shè)備上的溫度差 (以及由于溫度差所導(dǎo)致的流過(guò)設(shè)備的熱量) 轉(zhuǎn)換為電壓。這一現(xiàn)象的逆過(guò)程 (被稱為帕爾帖 [Peltier] 效應(yīng)) 則是通過(guò)施加電壓而產(chǎn)生溫度差，并為熱電冷卻器 (TEC) 所慣用。輸出電壓的極性取決于 TEG 兩端溫度差的極性。如果 TEG 的熱端和冷端掉換過(guò)來(lái)，那么輸出電壓就將改變極性。

TEG 由采用電串聯(lián)連接并夾在兩塊導(dǎo)熱陶瓷板之間的N型摻雜和P型摻雜半導(dǎo)體芯片對(duì)或偶所構(gòu)成。最常用的半導(dǎo)體材料是碲化鉍 (Bi2Te3)。圖 4 示出了 TEG 的機(jī)械構(gòu)造。

圖 4：TEG 的構(gòu)造

有些制造商將 TEG 與 TEC 區(qū)分開(kāi)來(lái)。當(dāng)作為 TEG 銷售時(shí)，通常意味著用于裝配模塊內(nèi)部電偶的焊料具有較高的熔點(diǎn)，故可在較高的溫度和溫差條件下工作，因而能夠提供高于標(biāo)準(zhǔn) TEC (其最大溫度通常限制在 125oC) 的輸出功率。大多數(shù)低功率能量收集應(yīng)用不會(huì)遇到高溫或高溫差的情況。

TEG 的尺寸和電氣規(guī)格多種多樣。大多數(shù)常見(jiàn)的模塊都是方形的，每邊的長(zhǎng)度從10mm到50mm不等，厚度一般為2mm ~ 5mm。

對(duì)于一個(gè)給定的 ΔT (與塞貝克系數(shù)成比例)，TEG 將產(chǎn)生多大的電壓受控于諸多的變量。其輸出電壓為 10mV/K 至 50mV/K 溫差 (取決于電偶的數(shù)目)，并具有 0.5Ω 至 5Ω 的源電阻。一般而言，對(duì)于給定的 ΔT，TEG 所擁有的串聯(lián)電偶越多，其輸出電壓就越高。然而，增加電偶的數(shù)目也會(huì)增加 TEG 的串聯(lián)電阻，從而導(dǎo)致在加載時(shí)產(chǎn)生較大的壓降。制造商可以通過(guò)調(diào)整個(gè)別半導(dǎo)體芯片的尺寸和設(shè)計(jì)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，以在保持低電阻的同時(shí)仍然提供較高的輸出電壓。

負(fù)載匹配
為了從任意電壓電源吸取可獲得的最大功率，負(fù)載電阻必須與電源的內(nèi)阻相匹配。圖 5 中的實(shí)例說(shuō)明了這一點(diǎn)，此處，一個(gè)具有 100mV 開(kāi)路電壓和 1Ω 或 3Ω 源電阻的電壓電源用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載電阻器。圖 6 示出了輸送至負(fù)載的功率與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系。在每一根曲線中