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

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 5oC 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(chǔ)電容器充電需要花多長(zhǎng)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(duì)于 560μA)，那么 VOUT 最初的充電時(shí)間為：

tCHARGE = 470μF ? 3.3V / 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(jiǎn)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 3.3V ? 560μA = 1.85mW) 除以脈沖期間所需的功率 (在本例情況下為 3.3V ? 15mA = 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(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，那么將沒(méi)有剩余的收集能量用于給存儲(chǔ)電容器充電 (如果需要存儲(chǔ)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(chǔ)電容器充電。在該場(chǎng)合中，VSTORE 電容器提供的存儲(chǔ)時(shí)間利用以下公式來(lái)計(jì)算：

tSTORE = 0.1F ? (5.25V - 3.3V) / (6μA + 15mA ? 0.01 / 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(chǎng)合中，一旦存儲(chǔ)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。

利用后備電池的超低功率應(yīng)用
有些應(yīng)用或許沒(méi)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(lái)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(lái)連續(xù)供電，或者可以借助熱能收集來(lái)極大地延長(zhǎng)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(lái)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 2.2V LDO 輸出來(lái)供電，且總電流消耗小于 200μA，只要 TEG 上至少存在 3oC 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(méi)有負(fù)載。當(dāng)可用的收集能量不夠時(shí)，3V鋰電池將無(wú)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

能量存儲(chǔ)替代方案
對(duì)于那些選用可再充電電池來(lái)替代主電池以提供備份或能量存儲(chǔ)的應(yīng)用，圖 14 中的二極管可以去掉，并用可再充電的鎳電池或鋰離子電池 (包括新型可再充電薄膜鋰電池) 來(lái)替換鋰電池。如果采用的是可再充電的鎳電池，則其自放電電流必須小于 LTC3108 所能供應(yīng)的平均充電電流。如果選用鋰離子電池，則需要增設(shè)額外的電路以保護(hù)其免遭過(guò)度充電和過(guò)度放電的損壞。另外還有一種存儲(chǔ)替代方案就是具有 5.25V 額定電壓的超級(jí)電容器，例如：Cooper-Bussman PB-5ROH104-R。與可再充電電池相比，超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)在于擁有更多的充 / 放電次數(shù)，而缺點(diǎn)則是能量密度低得多。

熱量收集應(yīng)用需要自動(dòng)極性
有些應(yīng)用 (例如：無(wú)線 HVAC 傳感器或地?zé)峁╇姷膫鞲衅? 對(duì)能量收集功率轉(zhuǎn)換器提出了另一種獨(dú)特的挑戰(zhàn)。此類應(yīng)用要求能量收集電源管理器不僅能夠依靠非常低的輸入電壓來(lái)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。這是一個(gè)特別棘手的難題，而且，在幾十或幾百 mV 的電壓條件下，二極管橋式整流器不是合適的選項(xiàng)。

LTC3109 是唯一適合克服這種從任一極性的能量源收集能量之挑戰(zhàn)的器件。LTC3109 運(yùn)用具 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 封裝或 20 引腳 SSOP 封裝。圖 15 顯示了 LTC3109 在自動(dòng)極性應(yīng)用中的一個(gè)典型例子。如圖 16 所示，該轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線說(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 15：自動(dòng)極性能量收集器供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

圖 16：圖 15 中轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線

LTC3109 也可以針對(duì)單極性操作進(jìn)行配置，采用單個(gè)變壓器 (與 LTC3108 相似) 來(lái)適應(yīng)那些需要盡可能低的啟動(dòng)電壓和盡可能高的輸出電流的應(yīng)用。圖 17 中示出的電路可在僅 15mV 的電壓下啟動(dòng)，該電壓是采用所示的 TEG 在小于 1oC 的溫差條件下產(chǎn)生的。在10oC 溫差時(shí)，它能夠提供穩(wěn)定的 5V 電壓 (在 0.74mA 電流下)，從而可輸送 3.7mW 的已調(diào)穩(wěn)態(tài)輸出功率。在相同的條件下，這幾乎達(dá)到了 LTC3108 輸出功率的兩倍，如圖 18 所示。

圖 17：采用 LTC3108 的單極性轉(zhuǎn)換器能在僅 15mV 的電壓條件下啟動(dòng)

圖 18：LTC3108 和 LTC3109輸出功率的比較

需要注意：在單極性配置中，LTC3109 對(duì) TEG 呈現(xiàn)出約 1Ω 的負(fù)載電阻，因此應(yīng)選擇一個(gè)具有非常低源電阻的 TEG 以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的負(fù)載匹配，否則在單極性配置中使用 LTC3109 將毫無(wú)優(yōu)勢(shì)可言，這一點(diǎn)很重要。本例中所采用的 TEG 具有 1.0Ω 的標(biāo)稱源電阻，旨在實(shí)現(xiàn)最佳的功率傳輸。

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，以利用常見(jiàn)的熱電器件為無(wú)線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電壓能力和高集成度，可最大限度地縮減解決方案占板面積。LTC3108、LTC3108-1 和 LTC3109 可與現(xiàn)有的低功率單元式部件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，以支持自主型無(wú)線傳感器并延長(zhǎng)關(guān)鍵后備電池應(yīng)用中的電池使用壽命。