測(cè)量和控制所需的超低功率無線傳感器節(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。

　　能量收集無線傳感器系統(tǒng)簡(jiǎn)化了眾多領(lǐng)域中的安裝和維護(hù)工作。

　　能量收集的好處是顯而易見的，不過，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)換為一種無線傳感器系統(tǒng)可以使用的形式。

　　1 歸根到底是占空比的問題

　　許多無線傳感器系統(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供電。

　　2　能量收集源

　　可供收集的最常見能量源是振動(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：

　　a 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

　　b 它們可能無法提供一個(gè)連續(xù)和不間斷的電源

　　c 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。

　　3 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)字傳感器也是無處不在。

　　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3mmx4mmx0.75mm12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)來為無線傳感器供電，并從小至1°C的溫度差(ΔT)收集能量。采用一個(gè)現(xiàn)成有售的小型(6mmx6mm)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VAUX引腳)，并給輸出電容器充電。2.2VLDO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1°C的ΔT來工作，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。4 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(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。

　　5 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)例說明了這一點(diǎn)，此處，一個(gè)具有100mV開路電壓和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。在每一根曲線中都可以看出：當(dāng)負(fù)載電阻與源電阻匹配時(shí)，輸送至負(fù)載的功率達(dá)到最大。不過，當(dāng)源電阻低于負(fù)載電阻時(shí)，輸送的功率也許并非可能的最大值，而是比一個(gè)較高的源電阻驅(qū)動(dòng)一個(gè)匹配負(fù)載時(shí)(本例中為0.8mW)更高(本例中為1.9mW)，注意到這一點(diǎn)同樣很重要。選擇具有最低電阻的TEG可提供最大輸出功率的原因即在于此。

　　圖5：電壓電源驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載的簡(jiǎn)化原理圖

　　圖6：電源的輸出功率與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系

　　LTC3108給輸入電源提供了一個(gè)約2.5Ω的最小輸入電阻。(請(qǐng)注意：這是轉(zhuǎn)換器而不是IC本身的輸入電阻。)這處于大多數(shù)TEG源電阻范圍的中間，從而為實(shí)現(xiàn)近乎最佳的功率傳輸提供了優(yōu)良的負(fù)載匹配。LTC3108的設(shè)計(jì)是：當(dāng)VIN下降時(shí)，輸入電阻增大(如圖7所示)。該特性令LTC3108能夠很好地適應(yīng)具有不同源電阻的TEG。

　　圖7：LTC3108的輸入電阻與VIN的關(guān)系曲線(采用1:100匝數(shù)比)

　　由于轉(zhuǎn)換器的輸入電阻相當(dāng)?shù)?，因此無論負(fù)載大小如何它都將從電源吸收電流。以圖8所示為例：當(dāng)采用一個(gè)100mV輸入時(shí)，轉(zhuǎn)換器從電源吸收約37mA的電流。不可把該輸入電流誤當(dāng)作IC本身所需的為其內(nèi)部電路供電的6μA靜態(tài)電流(取自VAUX)。當(dāng)在極低電壓條件下啟動(dòng)或依靠一個(gè)存儲(chǔ)電容器來工作時(shí)，低靜態(tài)電流的意義最為重大。

　　圖8：LTC3108的輸入電流與VIN的關(guān)系曲線(采用1:100匝數(shù)比)6 選擇用于發(fā)電的TEG

　　大多數(shù)熱電模塊制造商均未提供有關(guān)輸出電壓或輸出功率與溫差之間關(guān)系的數(shù)據(jù)，而這恰恰是熱能收集器設(shè)計(jì)人員所希望了解的。始終提供的兩個(gè)參數(shù)是VMAX和IMAX，即某個(gè)特定模塊的最大工作電壓和最大工作電流(當(dāng)在某種加熱/冷卻應(yīng)用中處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí))。

　　在選擇針對(duì)發(fā)電用途的熱電模塊時(shí)，上佳的經(jīng)驗(yàn)法則是在給定的尺寸下選擇具有最大(VMAX°IMAX)乘積的模塊。這通常將提供最高的TEG輸出電壓和最低的源電阻。對(duì)此經(jīng)驗(yàn)法則有一條附加說明，這就是散熱器的尺寸必須根據(jù)TEG的尺寸來確定。較大的TEG需要大一些的散熱器來實(shí)現(xiàn)最佳的性能。需要注意的是，制造商如果提供了電阻參數(shù)的話，那么指的是AC電阻，這是因?yàn)樗鼰o法使用DC電流以傳統(tǒng)的方式來測(cè)量(DC電流會(huì)引發(fā)Seebeck電壓，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的電阻讀數(shù))。圖9是一幅曲線圖，給出了采用13種不同的TEG時(shí)(固定ΔT=5°C)LTC3108的功率輸出與每個(gè)模塊的(VMAX°IMAX)乘積的關(guān)系曲線。由圖可見，當(dāng)VI乘積較高時(shí)，LTC3108提供的輸出功率通常也較高。

　　圖9：LTC3108輸出功率與具有不同V和I乘積的TEG關(guān)系曲線

　　圖10示出了一個(gè)邊長(zhǎng)30mm的方形TEG在1°C至20°C的ΔT范圍內(nèi)輸出電壓及最大輸出功率能力。在該ΔT范圍內(nèi)，輸出功率從幾百μW到幾十mW不等。需要指出的是：該功率曲線是在假設(shè)擁有理想的負(fù)載匹配且無轉(zhuǎn)換損耗的情況下得出的。最后，在利用LTC3108提升至一個(gè)較高電壓之后可獲得的輸出功率將由于功率轉(zhuǎn)換損耗的原因而低于圖中示出的數(shù)值。LTC3108的產(chǎn)品手冊(cè)中給出了幾幅在多種不同工作條件下可提供輸出功率的曲線圖。

　　圖10：典型TEG的開路電壓及最大功率輸出

　　就給定應(yīng)用而言，所需要的TEG尺寸取決于可用的最小ΔT、負(fù)載所需的最大平均功率、以及用于將TEG的一端保持于環(huán)境溫度的散熱器的熱阻。LTC3108的最大功率輸出位于15°W/K-cm2至30°W/K-cm2之間，具體數(shù)值取決于所選擇的變壓器匝數(shù)比和特定的TEG。表1羅列了一些推薦使用的TEG器件型號(hào)。

　　表1:推薦使用的TEG器件

　　7 需要考慮的熱量問題

　　當(dāng)把一個(gè)TEG置于兩個(gè)處于不同溫度的面之間時(shí)，在加入TEG之前的“開路”溫差高于TEG放置到位時(shí)其上的溫差。這是由于TEG本身在其陶瓷板之間具有一個(gè)相當(dāng)?shù)偷臒嶙?通常為1°C/W至10°C/W)所致。

　　考慮如下的例子，一部大型機(jī)器在周圍環(huán)境溫度為25°C以及表面溫度為35°C的情況下工作。當(dāng)將一個(gè)TEG連接到這臺(tái)機(jī)器時(shí)，必須同時(shí)在TEG溫度較低(環(huán)境溫度)的一端加上一個(gè)散熱器，否則整個(gè)TEG將升溫至接近35°C，從而消除掉所有的溫差。需要牢記一點(diǎn)：電輸出功率正是產(chǎn)生自流過TEG的熱量。

　　在該例中，散熱器和TEG的熱阻確定了總溫差(ΔT)的哪一部分存在于TEG的兩端。該系統(tǒng)的簡(jiǎn)單熱模型示于圖11。假定熱源(RS)的熱阻可忽略不計(jì)，如果TEG的熱阻(RTEG)為2°C/W，散熱器的熱阻為8°C/W，那么落在TEG上的ΔT僅為2°C。在TEG上的溫度只有區(qū)區(qū)幾°C的情況下，其輸出電壓很低，此時(shí)LTC3108能夠依靠超低輸入電壓工作的重要性就凸顯出來了。

　　圖11：TEG和散熱器的熱阻模型

　　請(qǐng)注意：由于較大的TEG其表面積增大了，所以大型TEG通常比小型TEG熱阻低。因此，在那些于TEG的一端采用了一個(gè)較小散熱器的應(yīng)用中，較大的TEG上的ΔT有可能小于較小的TEG，故而未必會(huì)提供更多的輸出功率。無論在何種情況下，都應(yīng)采用具有盡可能低熱阻的散熱器，以通過最大限度地提高TEG上的溫度差來實(shí)現(xiàn)電輸出的最大化。8 選擇最佳的變壓器匝數(shù)比

　　對(duì)于那些可提供較高溫度差(即較高的輸入電壓)的應(yīng)用，可以采用一個(gè)匝數(shù)比較低(例如：1:50或1:20)的變壓器以提供較高的輸出電流能力。作為經(jīng)驗(yàn)法則，假如最小輸入電壓在加載時(shí)至少為50mV，則建議采用1:50的匝數(shù)比。倘若最小輸入電壓至少為150mV，那么就建議使用1:20的匝數(shù)比。文中討論的所有匝數(shù)比在市面上均有現(xiàn)成可售的Coilcraft器件(包括特定器件型號(hào)在內(nèi)的更多信息請(qǐng)查閱LTC3108的產(chǎn)品手冊(cè))。圖12中的曲線示出了在采用兩種不同的變壓器升壓比及兩種不同尺寸的TEG時(shí)，LTC3108在某一溫度差范圍內(nèi)的輸出功率能力。

　　圖12：對(duì)于兩種TEG尺寸及兩種變壓器匝數(shù)比的LTC3108輸出功率

　　與T的關(guān)系曲線(VOUT=5V)

　　9 脈沖負(fù)載應(yīng)用

　　由TEG供電的典型無線傳感器應(yīng)用如圖13所示。在這個(gè)例子中，TEG上至少有2°C的溫差可用，因此選擇1:50的變壓器升壓比，以在2°C至10°CΔT的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高的輸出功率。當(dāng)采用圖示的TEG(邊長(zhǎng)40mm的方形器件，具有1.25Ω的電阻)時(shí)，該電路能夠依靠低至2°C的溫差啟動(dòng)并對(duì)VOUT電容器進(jìn)行充電。請(qǐng)注意，在轉(zhuǎn)換器的輸入端上跨接了一個(gè)大容量的去耦電容器。在輸入電壓與TEG之間提供良好的去耦可最大限度地減小輸入紋波、提升輸出功率能力并在盡可能低的ΔT條件下啟動(dòng)。

　　圖13：由一個(gè)TEG來供電的無線傳感器應(yīng)用

　　在圖13所示的例子中，2.2VLDO輸出負(fù)責(zé)給微處理器供電，而VOUT利用VS1和VS2引腳設(shè)置為3.3V，以給RF發(fā)送器供電。開關(guān)VOUT(VOUT2)由微處理器控制，以僅在需要時(shí)給3.3V傳感器供電。當(dāng)VOUT達(dá)到其穩(wěn)定值的93%時(shí)，PGOOD輸出將向微處理器發(fā)出指示信號(hào)。為了在輸入電壓不存在時(shí)保持運(yùn)作，在后臺(tái)從VSTORE引腳給0.1F存儲(chǔ)電容器充電。這個(gè)電容器可以一路充電至高達(dá)VAUX并聯(lián)穩(wěn)壓器的5.25V箝位電壓。如果失去了輸入電壓電源，那么就自動(dòng)地由存儲(chǔ)電容器提供能量，以給該IC供電，并保持VLDO和VOUT的穩(wěn)定。

　　在本例中，根據(jù)下面的公式來確定COUT存儲(chǔ)電容器的大小，以在10ms的持續(xù)時(shí)間內(nèi)支持15mA的總負(fù)載脈沖，從而在負(fù)載脈沖期間允許VOUT有0.33V的下降。請(qǐng)注意，IPULSE包括VLDO和VOUT2以及VOUT上的負(fù)載，但可用的充電電流未包括在內(nèi)，因?yàn)榕c負(fù)載相比，它可能非常小。

　　COUT(μF)=IPULSE(mA)tPULSE(ms)/dVOUT

　　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5°C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=470μF3.3V/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3.3V560μA=1.85mW)除以脈沖期間所需的功率(在本例情況下為3.3V15mA=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)間利用以下公式來計(jì)算：

　　tSTORE=0.1F(5.25V-3.3V)/(6μA+15mA0.01/0.5)=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。

　　10 利用后備電池的超低功率應(yīng)用

　　有些應(yīng)用或許沒有脈沖負(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連續(xù)供電，或者可以借助熱能收集來極大地延長(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2.2VLDO輸出來供電，且總電流消耗小于200μA，只要TEG上至少存在3°C的溫度差，LTC3108就能連續(xù)地給負(fù)載供電。在這些條件下，電池上沒有負(fù)載。當(dāng)可用的收集能量不夠時(shí)，3V鋰電池將無縫地“接管”并給負(fù)載供電。

　　圖14：具有后備電池的能量收集器11 能量存儲(chǔ)替代方案

　　對(duì)于那些選用可再充電電池來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)其免遭過度充電和過度放電的損壞。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-BussmanPB-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。

　　12 熱量收集應(yīng)用需要自動(dòng)極性

　　有些應(yīng)用(例如：無線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工作，而且能以任一極性工作，因?yàn)門EG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)開關(guān)輸出和一個(gè)能量存儲(chǔ)輸出。LTC3109采用4mmx4mm20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1°C的溫差條件下產(chǎn)生的。在10°C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。

　　13 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，以利用常見的熱電器件為無線傳感器和其他低功率應(yīng)用供電。