| 人們常常在周圍充滿能源的環(huán)境中看到無線和有線傳感器系統(tǒng)，這種環(huán)境能源非常適合用來給傳感器供電。例如，能量收集可以顯著地延長已安裝電池的壽命，尤其當功率要求較低時，從而降低了長期維護成本，減少了宕機事件。盡管有這么多好處，但是在能量收集的采用上始終存在一些障礙。最顯著的是，環(huán)境能源常常是間歇性的，或者不夠給傳感器系統(tǒng)連續(xù)供電，而主電池電源在其額定壽命期內是極其可靠的。系統(tǒng)設計師也許不愿意將系統(tǒng)升級為可以收集環(huán)境能源，尤其是當無縫集成非常重要時。凌力爾特的 LTC3107 之目標是，使其容易且無縫地延長電池壽命，以及通過給現(xiàn)有設計增加能量收集功能，以改變這類設計師的想法。
LTC3107 是一款負載點能量收集器，僅占用很小的空間，只要能夠容納 LTC3107 的 3mm x 3mm DFN 封裝以及幾個外部組件即可。通過產(chǎn)生一個跟蹤現(xiàn)有主電池電壓的輸出電壓，可無縫地采用 LTC3107 以把免費熱能收集的成本節(jié)約帶到新的和現(xiàn)有的電池供電型設計中。
LTC3107 與一個小型的熱能能源一起使用，就可以延長電池壽命，在有些情況下長達電池的保存壽命，因此降低了與電池更換有關且重復發(fā)生的維護成本。LTC3107 用來增強電池，甚至視負載情況和可用的可收集能源的情況而定，完全由 LTC3107 給負載供電。
數(shù)字輸出 BAT_OFF 用來指示在任意給定時刻電池是否處于使用中以為負載供電。這就允許系統(tǒng)監(jiān)視收集器的有效性，以及電池使用的占空比，以提供維護報告。BAT_OFF 從內部上拉到 VOUT。
圖 1 顯示了一個典型的無線傳感器應用。這個系統(tǒng)完全由一個 CR3032 3.0V 鋰幣形主電池供電，電池容量為 500mA-Hr。如果平均系統(tǒng)功率需求是 250µW，那么這個電池在連續(xù)運行時，可以供電大約 8 個月時間。
圖 2 顯示了相同的系統(tǒng)，使用相同的電池，但增加了基于 LTC3107 的熱能收集器，以延長電池壽命。
圖 1：一個典型的電池供電無線傳感器系統(tǒng)的簡化方框圖
圖 2：具電池和 LTC3107 熱能收集器的無線傳感器系統(tǒng)
圖 3 顯示了通過增設熱能收集實現(xiàn)的預期電池壽命延長，其在一系列 TEG 安裝表面溫度下(假定環(huán)境溫度為 23°C) 采用了一個小型 (15mm x 15mm) 熱電發(fā)生器 (TEG) 和一個 24mm2 散熱器 。
圖 3：通過使用一個熱能收集器，電池壽命可以延長幾年
在所收集的熱功率大于負載所需的平均功率時，絕不用電池給負載供電，僅從電池吸取 80nA 電流，從而使電池壽命接近一個典型主電池的保存壽命 (5 至 10 年)。在這種情況下，電池僅用來作為 LTC3107 的基準電壓以提供輸出電壓調節(jié)。需要提及的重要一點是，在所有工作條件下，LTC3107 都能夠防止任何充電電流進入電池。
例如，就圖 2 所示系統(tǒng)而言，當 TEG 連接至可收集熱源時，諸如僅比環(huán)境溫度高 12°C 的溫熱管道或機器時，LTC3107 就可以完全用收集的能量給 250µW 負載供電，從而在電池保存壽命期內，省去了多次電池更換服務，如圖 3 所示。
圖 4 波形顯示了電池電壓和 LTC3107 的輸出電壓。如圖所示，輸出電壓穩(wěn)定在大約比未加載電池電壓低 30mV 的電壓值上，對系統(tǒng)負載而言是無縫和透明的，從而為所設計的系統(tǒng)提供一個輸出電壓。在這種情況下，BAT_OFF 輸出保持高電平，指示電池未用來給負載供電。(請注意，在這些圖中，由于示波器探頭和 LTC3107 內部的上拉電阻器組成了電阻分壓器，所以示波器探頭的電阻性負載使 BAT_OFF 的高電平電壓降至低于 VOUT。)
圖 4：PHARVEST > PLOAD 時收集器的波形
如果負載需求超過收集器的供電能力，那么就按照需要，用電池來保持輸出電壓，并提供負載所需的必要的輸出功率。在這種情況下，收集器盡可能提供最大的負載電流，以最大限度降低電池電流，并最大限度延長電池壽命。BAT_OFF 信號保持低電平，即使有些負載電流是由收集器提供。這種情況下的波形如圖 5 所示。請注意，在這種情況下，LTC3107 將 VOUT 調節(jié)至大約比實際電池電壓低 220mV。
圖 5：PHARVEST < PLOAD 時收集器的波形
如果負載是動態(tài)的，從較低值向較高值轉變，那么 BAT_OFF 信號就會在高電平和低電平之間出現(xiàn)脈沖變化，指示何時收集器能夠向負載供電，何時需要電池。圖 6 所示波形說明了這種情況，該波形在瞬間的負載階躍時出現(xiàn)。
圖 6：短暫的負載瞬態(tài)超過 PHARVEST 時收集器的波形
為了進一步延長電池壽命，LTC3107 可在輕負載時通過 VSTORE 引腳上電容值較大的電容器存儲多余的收集能量，以在重負載時支持 VOUT。為了方便使用超級電容器 (超級電容器典型情況下最高電壓額定值為 5V)，VSTORE 引腳上的電壓從內部箝位至最高 4.48V。
在負載增大時，這種能量存儲功能可在恢復至電池電源之前自動使用存儲的能量保持 VOUT，可降低或消除了電池泄漏。在圖 7 所示波形中說明了這一點。這時可以看到，在輕負載時已經(jīng)升高的 VSTORE 電壓在負載增大時下降了，因為向負載提供了能量。可以看到，VOUT 沒有下降，BAT_OFF 信號仍然保持高電平，這指示即使在負載瞬態(tài)時電池也未用來支持輸出。
圖 7：用 VSTORE 功能支持負載瞬間增大
在無收集能量可用、存儲能量耗盡的情況下，輸出功率全部由電池提供，就像沒有收集器一樣，同時 VOUT 穩(wěn)定在比電池電壓低 220mV 的電壓值上。在這種情況下，收集器電路仍然保持空閑狀態(tài)，僅給電池增加了 6µA 負載。這種情況下的收集器波形與圖 5 所示相同。
為了針對 VOUT 端短路情況保護電池，從 VBATT 到 VOUT 的電流限制到最低 30mA 和最大 100mA。因此，當靠電池運行時，可以支持至少 30mA 的穩(wěn)態(tài)負載。如果需要，可以在短時間內用 VOUT 端的去耦電容器支持較大的瞬態(tài)負載。
收集器產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)輸出電流受幾個因素的影響，但是主要受到可以加到 TEG 兩端的溫度差的限制。請注意，該電流不僅是 TEG 安裝表面的溫度和環(huán)境溫度的函數(shù)，而且受到 TEG 低溫側使用的散熱器熱阻的影響。收集能量提供的輸出電流在穩(wěn)態(tài)時可能低至數(shù)微安直至幾毫安。從 VSTORE 到 VOUT 能夠提供的電流受到這兩個引腳之間電壓差的限制以及通過 LTC3107 充電控制電路的內部通路電阻 (典型值約為 120Ω) 的限制。因此 VSTORE 電流典型情況下也限制到數(shù)毫安，而且未打算支持很大的負載瞬態(tài)。這應該由 VOUT 去耦電容器應對。
除了 BAT_OFF 功能，LTC3107 還提供第二個輸出電壓，該電壓由一個內部低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器穩(wěn)定在 2.2V，可用來給高達 10mA 的負載供電。如果必要，這個 2.2V LDO 也可由收集器和電池供電。
總結
為了方便在多種新的和現(xiàn)有的主電池供電應用中采用熱能收集技術，LTC3107 設計為在 2V 至 4V 電池電壓范圍內工作。這個范圍包括了在較低功率應用中使用的大多數(shù)流行的長壽命主電池，例如 3V 幣形鋰電池和 3.6V 鋰亞硫酰氯電池。LTC3107 提供了兩全其美的解決方案，既提供電池電源的可靠性，又可以最少的設計工作量和采用熱能收集而降低了維護成本。 |
