基于無線傳感器超低功率能量收集器的供電系統設計

測量和控制所需的超低功率無線傳感器用量的激增、再加上新型能量采集技術的運用，使得能夠制造出由局部環境能量而非電池供電的全自主型系統。

在替換或維護電池不方便、昂貴或危險時，這顯然是有好處的。由收集能量供電的傳感器節點可以在樓宇自動化、無線 / 自動測量、前瞻性維護、和其他很多工業、軍事、汽車和消費類應用中使用。能量收集的好處是顯而易見的，但是有效的能量收集系統需要智能電源管理電路，以將微量免費能量轉換成無線傳感器系統可使用的形式。

歸根結底是占空比問題

很多無線傳感器系統消耗非常低的平均功率，從而成為由收集的能量供電的主要對象。因為傳感器節點常常用來監視緩慢變化的物理量，所以可以不經常進行測量，也不需要經常發送測量數據，因此傳感器節點是以非常低的占空比工作的，相應地，平均功率需求也很小。例如，如果一個傳感器系統在工作時需要 3.3V/30mA （100mW），但是每 10s 僅有 10ms 時間在工作，那么所需平均功率僅為 0.1mW，假定在傳送突發的間隔期間不工作時，傳感器系統電流降至數 uA。

電源管理：迄今為止在能量收集中仍然缺失的一環

僅消耗 uW 功率的微處理器和模擬傳感器以及小型、低成本、低功率 RF 收發器得到了廣泛采用。在實現實際的能量收集系統時，缺失的一環始終是可以靠一個或多個常見免費能源工作的電源轉換器 / 電源管理構件。LTC3108 能在輸入電壓低至 20mV 時啟動，為熱能收集補上了缺失的這一環。LTC3108 采用 3mm x 4mm x 0.75mm 12 引腳 DFN 或 16 引腳 SSOP 封裝，為用熱電發生器 （TEG）、以低至 1°C 的溫度差 （?T） 給無線傳感器供電提供了一個緊湊、簡單和高度集成的電源管理解決方案。

參見圖 1，LTC3108 用一個小的升壓型變壓器和一個內部 MOSFET 形成一個諧振振蕩器。變壓器的升壓比為 1:100 時，該轉換器能以低至 20mV 的輸入電壓啟動。變壓器的次級繞組向充電泵和整流器電路饋送電壓，然后給該 IC 供電，并給輸出電容器充電。2.2V LDO 的輸出設計成首先進入穩定狀態，以盡快給微處理器供電。然后，給主輸出電容器充電至由 VS1 和 VS2 引腳設定的電壓 （2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V），以給傳感器、模擬電路或 RF 收發器供電。當無線傳感器工作并發送數據因而出現低占空比負載脈沖時，VOUT 存儲電容器提供所需的突發能量。還提供一個開關輸出 （VOUT2），以給沒有停機或休眠模式的電路供電。電源良好輸出提醒主機，主輸出電壓接近其穩定值了。一旦 VOUT 進入穩定狀態，那么所收集的電流就被導向 VSTORE 引腳，以給可選存儲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，那么這個存儲組件就可用來給系統供電。還有一個 LTC3108-1 版本的器件，除了提供一套不同的可選輸出電壓 （2.5V、3.0V、3.7V 或 4.5V） 以外，與 LTC3108 完全相同。

圖 1：LTC3108 方框圖

熱電發生器的基本原理

熱電發生器 （TEG） 其實就是逆向工作的熱電冷卻器 （TEC）。熱電發生器應用席貝克效應 （Seebeck Effect） 將設備 （通過該設備產生熱量流動） 上的溫度差轉換成電壓。輸出電壓的幅度和極性取決于 TEG 上溫度差的幅度和極性。如果 TEG 的熱端和冷端掉換過來，那么輸出電壓就改變極性。TEG 可以用一個受溫度影響的電壓源模型加一個串聯電阻 （規定為 AC 電阻） 來代表。

TEG 的尺寸和電氣規格多種多樣。大多數模組都是方形的，每邊的長度從 10mm 至 50mm 不等，標準厚度為 2mm 至 5mm。它們的開路輸出電壓視尺寸不同而不同，范圍為 10mV/K 至 50mV/K。一般而言，對于給定的 ?T，較大的模組可提供較大的 VOUT，但是有更高的 AC 阻抗和更低的熱阻。就給定應用而言，所需要的 TEG 大小取決于可用的 ?T、負載需要的最大平均功率、以及用來冷卻 TEG 一側的散熱器熱阻。

為了從 TEG 抽取可獲得的最大功率，轉換器輸入阻抗必須相對于 TEG AC 電阻提供合理的負載匹配。LTC3108 轉換器呈現約 2.5? 的輸入阻抗，這剛好在大多數 TEG AC 電阻 （0.5? 至 7.5?） 范圍的中間。

需要考慮的熱量問題

當在一個溫暖的表面放置 TEG 以收集能量時，必須給 TEG 溫度較低的一側增加散熱器，以允許熱量傳送到周圍空氣中。由于散熱器的熱阻，在 TEG 上呈現的 ?T 將低于溫暖表面和環境之間的溫度差，因為 TEG 具有相對較低的熱阻 （典型情況下在 1°C/W 至 20°C/W 范圍內）。

參見圖 2 所示的簡單熱模型，考慮如下例子，一個大型機器在周圍環境溫度為 25°C、表面溫度為 35°C 的情況下工作。將一個 TEG 連接到這臺機器上，同時在 TEG 溫度較低 （環境溫度） 的一側加上一個散熱器。

圖 2：TEG 和散熱器簡單的熱模型

散熱器和 TEG 的熱阻確定了 10oC總溫差 （?T） 的哪一部分存在于 TEG 的兩端。假定熱源 （RS） 的熱阻可忽略不計，如果 TEG 的熱阻 （RTEG） 為 4°C/W，散熱器的熱阻 （RHS） 也為 4°C/W，那么落在 TEG 上的 ?T 僅為 5°C。

由于較大的 TEG 表面積增大了，所以大型 TEG 比小型 TEG 熱阻低，因此需要較大的散熱器才有利。在受到尺寸或成本限制而必須使用相對較小的散熱器的應用中，較小的 TEG 也許比大型 TEG 提供更多的輸出功率。熱阻等于或小于 TEG 熱阻的散熱器可最大限度地提高 TEG 上的溫度差，因此能最大限度地提高電輸出。

脈沖負載應用設計例子

由 TEG 供電的典型無線傳感器應用如圖 3 所示。在這個例子中，TEG 上至少有 4°C 的溫差可用，因此選擇 1:50 的變壓器升壓比，以實現最高的輸出功率。

圖 3：無線傳感器應用例子

LTC3108 提供一個典型的無線傳感器所需的多個輸出。2.2V LDO 輸出給微處理器供電，而 VOUT 利用 VS1 和 VS2 引腳設定到 3.3V，以給 RF 發送器供電。開關 VOUT （VOUT2） 由微處理器控制，以僅在需要時給 3.3V 傳感器供電。當 VOUT 達到穩定值的 93% 時，PGOOD 輸出向微處理器發出指示信號。為了在輸入電壓不存在時保持工作，在后臺從 VSTORE 引腳給 0.1F 存儲電容器充電。這個電容器可以充電至高達 VAUX 并聯穩壓器的 5.25V 箝位電壓。如果失去輸入電壓源，那么就自動由存儲電容器提供能量，以給該 IC 供電，并保持 VLDO 和 VOUT 的穩定。

根據以下公式確定 COUT 存儲電容器的大小，以在 10ms 的持續時間內支持 15mA 的總負載脈沖，從而在負載脈沖期間允許 VOUT 有 0.33V 的下降。請注意，IPULSE 包括 VLDO 和 VOUT2 以及 VOUT 上的負載，但充電電流未包括在內，因為與負載相比，它可能非常小。

考慮到這些要求，C必須至少為 454μF，因此選擇了一個 470μF 的電容器。

采用所示 TEG （以及大小合適的散熱器），在 ?T 為 5°K 時工作，那么 LTC3108 在 3.3V 時提供的平均充電電流約為 560μA。用這些數據，我們可以計算出，首次給 VOUT 存儲電容器充電需要花多長時間，以及該電路能以多大頻度發送脈沖。假定充電階段 VLDO 和 VOUT 上的負載非常小，那么 VOUT 最初的充電時間為：

假定發送脈沖之間的負載電流非常小，那么一種簡單估計最大發送速率的方法是，用從 LTC3108 可獲得的平均輸出功率 （在本例情況下為 3.3V ? 560μA = 1.85mW） 除以脈沖期間所需功率 （在本例情況下為 3.3V ? 15mA = 49.5mW）。收集器可以支持的最大占空比為 1.85mW/49.5mW = 0.037 或 3.7%。因此最大脈沖發送速率為 0.01/0.037 = 0.27 秒或約為 3.7Hz。

請注意，如果平均負載電流 （如發送速率所決定的那樣） 是收集器所能支持的最大電流，那么會沒有剩余的收集能量給存儲電容器充電。因此，在這個例子中，發送速率設定為 2Hz，從而留出幾乎一半的可用能量給存儲電容器充電。VSTORE 電容器提供的存儲時間利用以下公式計算：

上述計算包括 LTC3108 所需的 6uA 靜態電流，而且假定發送脈沖之間的負載極小。一旦存儲電容器達到滿充電狀態，它就能以 2Hz 的發送速率支持負載 637 秒，或支持總共 1274 個發送脈沖。

熱量收集應用需要自動極性

有些熱量收集應用 （如無線 HVAC 傳感器或地熱供電的傳感器） 要求電源管理器不僅能以非常低的輸入電壓工作，而且能以任一極性工作，因為 TEG 上的 ?T 的極性可能改變。

LTC3109 是惟一適合克服這種挑戰的器件。LTC3109 運用兩個具 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 LDO、一個數字可編程的輸出電壓、一個電源良好輸出、一個開關輸出和一個能量存儲輸出。LTC3109 采用 4mm x 4mm 20 引腳 QFN 和 20 引腳 SSOP 封裝。圖 4 顯示了 LTC3109 在自動極性應用中的一個典型例子。如圖 5 所示，該轉換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線說明，該器件在任一極性的輸入電壓時，都能同樣良好地工作。

圖 4：自動極性應用例子

圖 5：圖 4 中轉換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線

結論

LTC3108 和 LTC3109 能獨特地在輸入電壓低至 20mV 時工作，或者以非常低的任一極性電壓工作，提供了簡單和有效的電源管理解決方案，能實現熱能收集，可用常見熱電器件為無線傳感器和其他低功率應用供電。這些產品采用 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壓能力和高集成度，可最大限度地減小解決方案占板面積。LTC3108、LTC3108-1 和 LTC3109 提供了與現有低功率基本構件無縫連接所需的所有輸出，以支持自主型無線傳感器應用。