背景
用于測量和控制用途的超低功率無線傳感器節(jié)點(diǎn)在大量增加，這種情況與新的能量收集技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)使得有可能產(chǎn)生完全自主運(yùn)行的系統(tǒng)，即由周圍環(huán)境中的能源而不是電池供電的系統(tǒng)。用周圍環(huán)境中的能源或“免費(fèi)”能源給無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電這種方法很有吸引力，因?yàn)檫@種方法可以對(duì)電池電源起到補(bǔ)充作用，或者完全不再需要電池或?qū)Ь�。當(dāng)更換電池或電池維護(hù)不方便、昂貴或危險(xiǎn)時(shí)，這種方法具有顯然的優(yōu)勢。
完全不用導(dǎo)線還使得很容易大規(guī)模擴(kuò)展監(jiān)視和控制系統(tǒng)。能量收集無線傳感器系統(tǒng)在多種多樣的領(lǐng)域簡化了安裝和維護(hù)，例如樓宇自動(dòng)化、無線 / 自動(dòng)計(jì)量和預(yù)測性維護(hù)、以及其他無數(shù)的工業(yè)、軍事、汽車和消費(fèi)類應(yīng)用。能量收集的好處很明顯，但是有效的能量收集系統(tǒng)需要一種聰明的電源管理方法，以將極其微量的免費(fèi)能源轉(zhuǎn)換成無線傳感器系統(tǒng)可用的形式。
一切都?xì)w結(jié)為占空比問題
很多無線傳感器系統(tǒng)都消耗非常低的平均功率，因此成為了用能量收集方法供電的首選系統(tǒng)。很多傳感器節(jié)點(diǎn)都用來監(jiān)視變化緩慢的物理量。因此，不用經(jīng)常進(jìn)行測量和發(fā)送測量結(jié)果，這使得系統(tǒng)以很低的占空比運(yùn)行，相應(yīng)地，平均功率需求也很低。例如，如果一個(gè)傳感器系統(tǒng)在喚醒時(shí)需要3.3V/30mA (100mW)，但每秒鐘僅有10ms處于工作狀態(tài)，那么假定在發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)中間的非工作狀態(tài)，傳感器系統(tǒng)的電流降至幾微安，則所需的平均功率僅為1mW。如果同樣的無線傳感器每分鐘、而不是每秒鐘僅采樣和發(fā)送一次，那么平均功率就會(huì)降至不到20μW。這種差別非常重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)能量收集方法提供的穩(wěn)定狀態(tài)功率都非常低，通常不高于幾毫瓦，在有些情況下僅為幾微瓦。應(yīng)用所需的平均功率越低，就越有可能用收集的能量供電。
能量收集來源
最常見的可收集能源是振動(dòng)(或運(yùn)動(dòng))、光和熱。所有這些能源的換能器都有3個(gè)共同特點(diǎn)：
1. 電輸出是不穩(wěn)定的，不適合直接用來給電子電路供電
2. 也許不能提供連續(xù)的、不間斷的電源
3. 一般產(chǎn)生非常低的平均輸出功率，通常在10μW至10mW 范圍
如果要用這些能量源來給無線傳感器或其他電子產(chǎn)品供電，那么面向上述特點(diǎn)要求，就要進(jìn)行審慎的電源管理。
電源管理：能量收集中缺少的環(huán)節(jié)
由收集能量供電的典型無線傳感器系統(tǒng)可以劃分成5個(gè)基本組成部分，如圖1所示。除了電源管理部分，其他所有部分通常都面市有一段時(shí)間了。例如，以毫瓦功率運(yùn)行的微處理器、小型和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的RF發(fā)送器、以及消耗非常低功率的收發(fā)器都可以廣泛地得到。低功率模擬和數(shù)字傳感器也是無處不在。
圖 1：典型無線傳感器系統(tǒng)配置。
在實(shí)現(xiàn)這種能量收集系統(tǒng)鏈路時(shí)，缺失的一環(huán)始終是可以依靠一個(gè)或多個(gè)常見免費(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、易用的特點(diǎn)，在采用由常見的能量收集源產(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。
有些應(yīng)用 (例如: 無線HVAC傳感器或地?zé)峁╇姷膫鞲衅? 給能量收集電源轉(zhuǎn)換器造成了另一種獨(dú)特的挑戰(zhàn)。這類應(yīng)用要求能量收集電源管理器不僅能用非常低的輸入電壓工作，而且能隨著熱電發(fā)生器(TEG) ΔT極性的變化，用任一極性的電壓工作。這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問題，在數(shù)十或數(shù)百毫伏電壓情況下，二極管橋型整流器不是一個(gè)可行的選擇。
LTC3109采用4mm x 4mm x 0.75mm 20引腳QFN或20引腳SSOP封裝，解決了任一極性超低輸入電壓源的能量收集問題。該器件能以低至±30mV 的輸入電壓工作，提供了緊湊、簡單、高度集成的單片電源管理解決方案。這種獨(dú)特能力使該器件能用TEG給無線傳感器供電，而TEG可從低至2°C的溫度差(ΔT) 中收集能量。運(yùn)用兩個(gè)小型(6mm x 6mm)現(xiàn)成有售的降壓型變壓器和少數(shù)低成本電容器，該器件就可提供為今天的無線傳感器電子產(chǎn)品供電所必需的穩(wěn)定輸出電壓。
LTC3109運(yùn)用這些降壓型變壓器和內(nèi)部MOSFET形成一個(gè)諧振振蕩器，該振蕩器能用非常低的輸入電壓工作。運(yùn)用1:100的變壓比，該轉(zhuǎn)換器能以低至30mV的輸入啟動(dòng)，而無論電壓是哪種極性。變壓器副端繞組向充電泵和整流電路饋送電壓，以給該IC供電(通過VAUX引腳)，并給輸出電容器充電。2.2V LDO輸出設(shè)計(jì)為首先穩(wěn)定，以盡快給低功率微處理器供電。之后，主輸出電容器被充電至通過 VS1和VS2引腳設(shè)定的電壓 (2.35V、3.3V、4.1V或5.0V)，以給傳感器、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)無線傳感器工作并發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，VOUT存儲(chǔ)電容器在低占空比負(fù)載脈沖期間提供突發(fā)能量。另外，還提供開關(guān)輸出(VOUT2)，以給沒有停機(jī)或低功率休眠模式的電路供電，該開關(guān)輸出很容易通過主器件控制。還包括一個(gè)電源良好輸出以提醒主器件，主輸出電壓接近其穩(wěn)定值了。圖2顯示了LTC3109的電路原理圖。
圖2：適用于單極性輸入工作方式的LTC3109原理圖。
一旦VOUT充電到穩(wěn)定狀態(tài)，那么收集的電流就轉(zhuǎn)而進(jìn)入VSTORE引腳，以給可選的大型存儲(chǔ)電容器或可再充電電池充電。如果能量收集電源處于間歇狀態(tài)，那么這種存儲(chǔ)單元可用來保持穩(wěn)定或給系統(tǒng)供電。VAUX引腳上的并聯(lián)穩(wěn)壓器防止VSTORE充電至高于 5.3V。運(yùn)用一個(gè)典型的40mm2 TEG，LTC3109可以用低至2°C的ΔT工作，從而使該器件適用于種類繁多的能量收集應(yīng)用。較大的ΔT使LTC3109能提供更大的平均輸出電流。該轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨VIN變化的曲線如圖3所示，這條曲線說明LTC3109用任一極性的輸入電壓都能同樣良好地發(fā)揮作用。
圖 3：LTC3109輸出電流隨輸入電壓的變化。
熱電發(fā)生器
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)備上的溫差(以及由于溫差所導(dǎo)致的流過設(shè)備的熱量) 轉(zhuǎn)換為電壓。這一現(xiàn)象的逆過程 (被稱為帕爾帖[Peltier]效應(yīng)) 則是通過施加電壓而產(chǎn)生溫差，并為熱電冷卻器(TEC)所慣用。輸出電壓的極性取決于TEG兩端溫差的極性。如果TEG的熱端和冷端掉換過來，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的典型機(jī)械構(gòu)造。
有些制造商將TEG與TEC區(qū)分開來。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125°C) 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)常見的模塊都是方形的，每邊的長度從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。其輸出電壓為每K溫差10mV至50mV(取決于電偶的數(shù)目)，并具有0.5Ω至10Ω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)目同時(shí)也將增加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)仍然提供一個(gè)較高的輸出電壓。在選擇TEG并使其與散熱器相匹配的過程中，TEG的熱阻是另一個(gè)需要考慮的因素。
負(fù)載匹配
為了從任何電壓源抽取最大功率，負(fù)載阻抗必須與電源的內(nèi)阻匹配。圖5所示的例子說明了這一點(diǎn)，在該例中，開路電壓為100mV、電源阻抗為1Ω或3Ω的電壓源驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載電阻器。
圖5：電壓電源驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載的簡化原理圖。
圖6顯示了提供給負(fù)載的功率，該功率是負(fù)載電阻的函數(shù)。在每條曲線中都可以看到，當(dāng)負(fù)載電阻與電源電阻匹配時(shí)，提供給負(fù)載的功率最大。
圖6：電源的輸出功率是負(fù)載電阻的函數(shù)。
LTC3109對(duì)輸入電源呈現(xiàn)出2.5Ω的最小輸入電阻。(請(qǐng)注意，這是轉(zhuǎn)換器的輸入電阻，而不是該IC本身的輸入電阻。) 這一電阻值落在大多數(shù)TEG電源電阻范圍的中間部份，從而提供了良好的負(fù)載匹配，以實(shí)現(xiàn)接近最佳的功率傳遞。LTC3109設(shè)計(jì)為: 隨著VIN下降，輸入電阻增大。這一特點(diǎn)允許LTC3109很好地適應(yīng)具不同源電阻的TEG。
為發(fā)電選擇 TEG
大多數(shù)熱電模塊制造商都不提供輸出電壓或輸出功率隨溫差變化的數(shù)據(jù)，而這正是熱能收集器設(shè)計(jì)師想看到的東西。其他一些可能有用的TEG參數(shù)是電氣(AC)電阻和熱阻。制造商也不總是提供這些參數(shù)。兩個(gè)總是提供的參數(shù)是VMAX和IMAX，這是特定模塊(當(dāng)受到加熱/冷卻應(yīng)用驅(qū)動(dòng)時(shí)) 的最大工作電壓和最大工作電流。VMAX除以IMAX將得到該模塊電阻的近似值。
如果有大量熱流可用，那么在TEG的一側(cè)可以提供充分的散熱，為發(fā)電而選擇熱電模塊時(shí)，一個(gè)良好的經(jīng)驗(yàn)法則是，就給定尺寸而言，選擇(VMAX*IMAX)之積最大的模塊。這樣選擇以后，一般能提供最高的TEG輸出電壓和最低的電源電阻。使用這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則時(shí)，有一點(diǎn)需要提醒的是，散熱器的尺寸必須按照TEG的大小確定。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，較大的TEG需要較大的散熱器。請(qǐng)注意，電阻如果已給定，那么給定的是AC電阻，因?yàn)槔脗鹘y(tǒng)方法，該電阻無法用DC電流測量，DC電流會(huì)產(chǎn)生席貝克電壓，而該電壓又會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的電阻讀數(shù)。就可用熱流有限和/或必須使用較小散熱器的應(yīng)用而言，最好選擇其熱阻與最大可用散熱器匹配的TEG 。
圖7顯示，在1°C至20°C的ΔT范圍內(nèi)，一個(gè)30mm2的TEG之輸出電壓和最大輸出功率。在這一溫差范圍內(nèi)，輸出功率從數(shù)百微瓦變化到數(shù)十毫瓦。注意功率曲線假設(shè)一個(gè)理想負(fù)載匹配并且沒有轉(zhuǎn)換損耗。最終，由LTC3109將其升高到更高的電壓后，由于電源轉(zhuǎn)換損失，可用輸出功率會(huì)變小。LTC3109的數(shù)據(jù)表針對(duì)幾種不同工作條件，提供了幾條可用輸出功率曲線。
圖7：采用一個(gè)30mm2 TEG時(shí)的開路電壓和最大功率耗散。
就給定應(yīng)用而言，所需TEG的尺寸取決于最小可用ΔT、負(fù)載所需的最大平均功率以及用來保持TEG一側(cè)處于環(huán)境溫度的散熱器熱阻。
熱考慮
當(dāng)在溫度不同的兩個(gè)表面之間放置一個(gè)TEG時(shí)，加入TEG之前的“開路”溫差高于放置TEG之后TEG兩側(cè)的溫差。這是因?yàn)�，TEG本身的兩個(gè)面板之間有相當(dāng)?shù)偷臒嶙?典型值為1°C/W至10°C/W)。
例如，考慮以下情況，一個(gè)正在運(yùn)行的大型機(jī)器之表面溫度為35°C，周圍環(huán)境溫度為25°C。將一個(gè)TEG安裝到該機(jī)器上時(shí)，必須給該TEG溫度較低(環(huán)境溫度)的一側(cè)增加散熱器，否則，整個(gè)TEG會(huì)受熱升高到接近35°C，從而消除了任何溫度差。請(qǐng)記住，輸出電功率是通過TEG的熱流產(chǎn)生的。
在這個(gè)例子中，散熱器和TEG的熱阻決定，在TEG兩側(cè)總共存在多大的ΔT。該系統(tǒng)的簡單熱模型如圖8所示。
圖8：TEG和散熱器的熱阻模型。
假定熱源的熱阻(RS)可以忽略不計(jì)，TEG的熱阻(RTEG)為6°C/W，散熱器的熱阻為6°C/W，那么TEG上產(chǎn)生的ΔT僅為5°C。從一個(gè)其上僅有幾度溫差的TEG僅能產(chǎn)生很低的輸出電壓，這突出顯示了LTC3109能用超低輸入電壓工作所具有的重要性。
請(qǐng)注意，與較小的TEG相比，較大的TEG因?yàn)楸砻娣e較大，所以通常有較低的熱阻。因此，在應(yīng)用中，若在TEG一側(cè)使用相對(duì)較小的散熱器，那么與較小的TEG相比，較大的TEG上的ΔT將較小，因此也許未必提供更大的輸出功率。在任何情況下，使用具最低熱阻的散熱器，都能通過最大限度地增大TEG上的溫差，而最大限度地增大電輸出。
對(duì)于有較大溫差(即較高的輸入電壓)可用的應(yīng)用而言，匝數(shù)比較小的變壓器(例如1:50或1:20) 可用來提供較大的輸出電流。作為一個(gè)一般性的規(guī)則，在有負(fù)載情況下，如果最低輸入電壓至少為50mV，那么建議使用1：50的匝數(shù)比。如果最低輸入電壓至少為150mV，那么建議使用1：20的匝數(shù)比。
具電池備份的超低功率應(yīng)用
有些應(yīng)用是連續(xù)運(yùn)行的。這類應(yīng)用傳統(tǒng)上由小型主電池供電(例如3V鋰離子幣形電池)。如果功率需求足夠低，那么這類應(yīng)用可以靠熱量收集連續(xù)供電，或者可以利用熱量收集來極大地延長電池壽命，從而降低維護(hù)成本。當(dāng)所有電子產(chǎn)品消耗的功率低于能量收集電源能提供的功率時(shí)，只要TEG上存在溫差，LTC3109能連續(xù)給負(fù)載供電。在這種情況下，電池上沒有負(fù)載。當(dāng)收集的能量不夠用時(shí)，備份電池?zé)o縫地加入進(jìn)來，并給負(fù)載供電。
結(jié)論
LTC3109能獨(dú)特地以低至±30mV的輸入電壓工作，提供了一種簡單和高效的電源管理解決方案，該解決方案使得能從常見的熱電器件利用熱能收集給無線傳感器以及其他低功率應(yīng)用供電。LTC3109采用20引腳QFN或SSOP封裝，提供前所未有的低壓能力和高集成度，以最大限度地減小解決方案尺寸。LTC3109與現(xiàn)有低功率基本構(gòu)件無縫連接，以支持自主工作的無線傳感器，并在關(guān)鍵電池備份應(yīng)用中延長電池壽命。 |
