超低電壓能量收集器采用熱電發(fā)生器為無電池無線傳感器供電

測量和控制所需的超低功率無線傳感器節(jié)點的激增，再加上新型能量收集技術的運用，使得由局部環(huán)境能量而非電池供電的全自主型系統成為可能。利用環(huán)境或“免費”能量來為無線傳感器節(jié)點供電是富有吸引力的，因為它能夠對電池或導線供電提供補充、甚至完全無需使用電池或供電導線。當更換或檢修電池存在不便、費用昂貴或危險之時，這顯然是一大優(yōu)勢。

而且，完全取消供電導線還使大規(guī)模擴展監(jiān)視與控制系統變得輕而易舉。能量收集無線傳感器系統簡化了眾多領域中的安裝和維護工作，例如：樓宇自動化、無線 / 自動化儀表計量和前瞻性維護，以及諸多其他的工業(yè)、軍事、汽車和消費類應用。

能量收集的好處是顯而易見的，不過，有效的能量收集系統需要使用智能型的電源管理方案，以把微弱的免費能量轉換為一種無線傳感器系統可以使用的形式。

歸根到底是占空比的問題
許多無線傳感器系統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進行供電的主要候選對象。很多傳感器節(jié)點用于監(jiān)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(fā)送測量數據，因此傳感器節(jié)點是以非常低的占空比工作的。相應地，平均功率需求也很低。

例如：若一個傳感器系統處于喚醒狀態(tài)時的需要 3.3V/30mA (100mW) 的功率，但在每秒時間里只運行 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，傳感器系統電流降至數 μA。倘若這個無線傳感器只是每分鐘 (而不是每秒鐘) 進行一次采樣和傳送，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，有時甚至僅幾 μW)，因此這種功率需求量的差異是很重要的。應用所需的平均功率越低，就越有可能采用收集能量來供電。

能量收集源
可供收集的最常見能量源是振動 (或運動)、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：

?它們的電輸出未經穩(wěn)壓且不適合直接用于給電子電路供電
? ?它們可能無法提供一個連續(xù)和不間斷的電源
? ?它們往往只產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，就必需針對上述特性進行明智而審慎的電源管理。

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可分解為 5 個基本構件，如圖 1 所示。除了電源管理構件之外，所有這些構件成都已經用了有一段時間。比如：運行功率僅數 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。低功率的模擬和數字傳感器也是無處不在。

圖 1：典型的無線傳感器方框圖

在實現這種能量收集系統鏈路時，缺失的一環(huán)始終是可以靠一個或多個常見免費能源工作的功率轉換器 / 電源管理構件。能量收集的理想電源管理解決方案應具有小巧和易用的特點，在依靠由常見的能量收集源產生的異常高或低電壓工作時良好地運行，并在理想的情況下提供與源阻抗的上佳負載匹配以實現最優(yōu)的功率傳輸。電源管理器本身在管理累積能量時所需消耗的電流必須非常小，且應在使用極少分立組件的情況下產生穩(wěn)定的輸出電壓。

采用 3mm x 4mm x 0.75mm 12 引腳 DFN 封裝或 16 引腳 SSOP 封裝的LTC3108 解決了超低輸入電壓應用的能量收集問題。該器件提供了一款緊湊、簡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 的情況下正常運作。憑借這種獨特的能力，LTC3108 可利用一個熱電發(fā)生器 (TEG) 來為無線傳感器供電，并從小至 1oC 的溫度差 (ΔT) 收集能量。采用一個現成有售的小型 (6mm x 6mm) 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 采用一個小的升壓型變壓器和一個內部 MOSFET 形成一個諧振振蕩器，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，該轉換器能以低至 20mV 的輸入電壓啟動。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。2.2V LDO的輸出設計成首先進入穩(wěn)定狀態(tài)，以盡快給一個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，甚至給超級電容器或電池充電。當無線傳感器工作并發(fā)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(fā)能量。另外還提供了一個可由主機輕松加以控制的開關輸出 (VOUT2)，以給不具備停機或低功率睡眠模式的電路供電。該器件具有一個電源良好輸出，用于在主輸出電壓接近其穩(wěn)定值時向主機發(fā)出警示信號。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 充電并進入穩(wěn)定狀態(tài)，那么所收集的電流就被導向 VSTORE 引腳，以給一個可任選的大型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，那么這個存儲元件就可用來保持穩(wěn)壓狀態(tài)并給系統供電。上電及斷電期間的輸出電壓排序可見于圖 3。VAUX 引腳上的一個并聯穩(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

采用一個邊長 40mm 的標準方形 TEG，LTC3108 能依靠低至 1oC 的 ΔT 來工作，從而使其適用于眾多的能量收集應用。在ΔT 較高的情況下，LTC3108 將能夠提供一個較高的平均輸出電流。

熱電發(fā)生器的基本原理
熱電發(fā)生器 (TEG) 其實就是熱電模塊，它利用塞貝克 (Seebeck) 效應將設備上的溫度差 (以及由于溫度差所導致的流過設備的熱量) 轉換為電壓。這一現象的逆過程 (被稱為帕爾帖 [Peltier] 效應) 則是通過施加電壓而產生溫度差，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 由采用電串聯連接并夾在兩塊導熱陶瓷板之間的N型摻雜和P型摻雜半導體芯片對或偶所構成。最常用的半導體材料是碲化鉍 (Bi2Te3)。圖 4 示出了 TEG 的機械構造。

圖 4：TEG 的構造

有些制造商將 TEG 與 TEC 區(qū)分開來。當作為 TEG 銷售時，通常意味著用于裝配模塊內部電偶的焊料具有較高的熔點，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準 TEC (其最大溫度通常限制在 125oC) 的輸出功率。大多數低功率能量收集應用不會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。大多數常見的模塊都是方形的，每邊的長度從10mm到50mm不等，厚度一般為2mm ~ 5mm。

對于一個給定的 ΔT (與塞貝克系數成比例)，TEG 將產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 (取決于電偶的數目)，并具有 0.5Ω 至 5Ω 的源電阻。一般而言，對于給定的 ΔT，TEG 所擁有的串聯電偶越多，其輸出電壓就越高。然而，增加電偶的數目也會增加 TEG 的串聯電阻，從而導致在加載時產生較大的壓降。制造商可以通過調整個別半導體芯片的尺寸和設計對此進行補償，以在保持低電阻的同時仍然提供較高的輸出電壓。

負載匹配
為了從任意電壓電源吸取可獲得的最大功率，負載電阻必須與電源的內阻相匹配。圖 5 中的實例說明了這一點，此處，一個具有 100mV 開路電壓和 1Ω 或 3Ω 源電阻的電壓電源用于驅動一個負載電阻器。圖 6 示出了輸送至負載的功率與負載電阻的函數關系。在每一根曲線中