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背景

用于測(cè)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(shì)。

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(jiǎn)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(cè)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(cè)量和發(fā)送測(cè)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

SENSORS：傳感器

ENERGY SOURCE (SOLAR, PEIZO, TEG, ETC.)：能源 (太陽(yáng)能、壓電器件、熱電發(fā)生器等) 

POWER/ENERGY MANAGEMENT：功率 / 能量管理

uPROCESSOR：微處理器

RF LINK：RF 鏈路

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?/span>) 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) ∆T 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(jiǎn)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 (∆T) 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

TEG (THERMOELECTRIC GENERATOR) ±30mV TO ±500mV

TEG (熱電發(fā)生器)：±30mV 至 ±500mV

OPTIONAL SWITCHED OUTPUT FOR SENSORS：用于傳感器的可選開關(guān)輸出

LOW POWER RADIO：低功率射頻

SENSOR (S)：傳感器

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 ∆T 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 ∆T 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

TRANSFORMERS：變壓器

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

CERAMIC SUBSTRATE：陶瓷基板

NEGATIVE -：負(fù) (-)

CONDUCTOR TABS：導(dǎo)體接片

POSITIVE (+)：正 (+)

N-TYPE SEMICONDUCTOR PELLETS：N 型半導(dǎo)體芯片

P-TYPE SEMICONDUCTOR PELLETS：P 型半導(dǎo)體芯片

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(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(jiǎn)化原理圖

LOAD OR POWER CONVERTER：負(fù)載或電源轉(zhuǎn)換器

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�用傳統(tǒng)方法，該電阻無法用 DC 電流測(cè)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 ∆T 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

OPEN-CIRCUIT：開路

MAX, IDEAL：最大值、理想情況

127 COUPLES：127 個(gè)耦合器

就給定應(yīng)用而言，所需 TEG 的尺寸取決于最小可用 ∆T、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)椋?nbsp;TEG 本身的兩個(gè)面板之間有相當(dāng)?shù)偷臒嶙?/font> (典型值為 1°C/W 至 10°C/W)。