超低電壓能量收集器采用熱電發(fā)生器為無電池?zé)o線傳感器供電

圖 5：電壓電源驅(qū)動阻性負(fù)載的簡化原理圖

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約 2.5Ω 的最小輸入電阻。(請注意：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)計是：當(dāng) VIN 下降時，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)停虼藷o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 100mV 輸入時，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或依靠一個存儲電容器來工作時，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)

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)計人員所希望了解的。始終提供的兩個參數(shù)是 VMAX 和 IMAX，即某個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)動狀態(tài)時)。

在選擇針對發(fā)電用途的熱電模塊時，上佳的經(jīng)驗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。對此經(jīng)驗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，這是因為它無法使用 DC 電流以傳統(tǒng)的方式來測量 (DC 電流會引發(fā) Seebeck 電壓，從而產(chǎn)生錯誤的電阻讀數(shù))。圖 9 是一幅曲線圖，給出了采用 13 種不同的 TEG 時 (固定 ΔT = 5oC) LTC3108 的功率輸出與每個模塊的 (VMAX ? IMAX) 乘積的關(guān)系曲線。由圖可見，當(dāng) VI 乘積較高時，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 示出了一個邊長 30mm 的方形 TEG 在 1oC 至 20oC 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 15μW/K-cm2 至 30μW/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。

表1 :推薦使用的 TEG器件

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

考慮如下的例子，一部大型機器在周圍環(huán)境溫度為 25oC 以及表面溫度為 35oC 的情況下工作。當(dāng)將一個 TEG 連接到這臺機器時，必須同時在 TEG 溫度較低 (環(huán)境溫度) 的一端加上一個散熱器，否則整個 TEG 將升溫至接近 35oC，從而消除掉所有的溫差。需要牢記一點：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)的簡單熱模型示于圖 11。假定熱源 (RS) 的熱阻可忽略不計，如果 TEG 的熱阻 (RTEG) 為 2oC/W，散熱器的熱阻為 8oC/W，那么落在 TEG 上的 ΔT 僅為 2oC。在 TEG 上的溫度只有區(qū)區(qū)幾 oC 的情況下，其輸出電壓很低，此時 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 上的溫度差來實現(xiàn)電輸出的最大化。

選擇最佳的變壓器匝數(shù)比
對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)

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。在這個例子中，TEG 上至少有 2oC 的溫差可用，因此選擇 1:50 的變壓器升壓比，以在 2oC 至 10oC ΔT 的范圍內(nèi)實現(xiàn)最高的輸出功率。當(dāng)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 2oC 的溫差啟動并對 VOUT 電容器進(jìn)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。

圖 13：由一個 TEG 來供電的無線傳感器應(yīng)用

在圖 13 所示的例子中，2.2V LDO 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，以僅在需要時給 3.3V 傳感器供電。當(dāng)VOUT 達(dá)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(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(fù)載脈沖，從而在負(fù)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(fù)載，但可用的充電電流未包括在內(nèi)，因為與負(fù)載相比，它可能非常小。

COUT(μF) = IPULSE (mA) ? tPULSE (ms