一種無線傳感器的能量收集的實現(xiàn)
對于那些可提供較高溫度差(即較高的輸入電壓)的應用,可以采用一個匝數(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)驗法則,假如最小輸入電壓在加載時至少為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(包括特定器件型號在內(nèi)的更多信息請查閱LTC3108的產(chǎn)品手冊)。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,LTC3108在某一溫度差范圍內(nèi)的輸出功率能力。
圖12:對于兩種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 脈沖負載應用
由TEG供電的典型無線傳感器應用如圖13所示。在這個例子中,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)實現(xiàn)最高的輸出功率。當采用圖示的TEG(邊長40mm的方形器件,具有1.25Ω的電阻)時,該電路能夠依靠低至2°C的溫差啟動并對VOUT電容器進行充電。請注意,在轉(zhuǎn)換器的輸入端上跨接了一個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。
在圖13所示的例子中,2.2VLDO輸出負責給微處理器供電,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,以僅在需要時給3.3V傳感器供電。當VOUT達到其穩(wěn)定值的93%時,PGOOD輸出將向微處理器發(fā)出指示信號。為了在輸入電壓不存在時保持運作,在后臺從VSTORE引腳給0.1F存儲電容器充電。這個電容器可以一路充電至高達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,那么就自動地由存儲電容器提供能量,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存儲電容器的大小,以在10ms的持續(xù)時間內(nèi)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,但可用的充電電流未包括在內(nèi),因為與負載相比,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470μF的電容器。
采用所示的TEG,在ΔT為5°C時工作,那么LTC3108在3.3V時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的頻度發(fā)送脈沖。假定在充電階段中VLDO和VOUT上的負載非常小(相對于560μA),那么VOUT最初的充電時間為:
tCHARGE=470μF3.3V/560μA=2.77s
假定發(fā)送脈沖之間的負載電流非常小,那么一種簡單估計最大容許發(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。
請注意,如果平均負載電流(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電容器充電(如果需要存儲能力的話)。因此,在這個例子中,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電容器充電。在該場合中,VSTORE電容器提供的存儲時間利用以下公式來計算:
tSTORE=0.1F(5.25V-3.3V)/(6μA+15mA0.01/0.5)=637s
上述計算包括LTC3108所需的6μA靜態(tài)電流,而且假定發(fā)送脈沖之間的負載極小。在此場合中,一旦存儲電容器達到滿充電狀態(tài),它就能以2Hz的發(fā)送速率支持負載達637s的時間,或支持總共1274個發(fā)送脈沖。
10 利用后備電池的超低功率應用
有些應用或許沒有脈沖負載,但卻可能需要連續(xù)工作。傳統(tǒng)上,此類應用由一個小型主電池(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電池的使用壽命,從而降低維護成本。
圖14示出了一種利用后備電池來驅(qū)動一個連續(xù)負載的能量收集應用。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)地給負載供電。在這些條件下,電池上沒有負載。當可用的收集能量不夠時,3V鋰電池將無縫地“接管”并給負載供電。
圖14:具有后備電池的能量收集器
超級電容器相關(guān)文章:超級電容器原理
評論