超低電壓能量收集器無線傳感器供電方案

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　　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(tǒng)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?qū)﹄姵鼗驅(qū)Ь€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。

　　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，以把微弱的免費能量轉(zhuǎn)換為一種無線傳感器系統(tǒng)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(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(jīng)常進行測量，也不需要經(jīng)常發(fā)送測量數(shù)據(jù)，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(tǒng)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(tǒng)電流降至數(shù) 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(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(jīng)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(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(tǒng)可分解為 5 個基本構(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)用了有一段時間。比如：運行功率僅數(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。

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　　圖 1：典型的無線傳感器方框圖

　　在實現(xiàn)這種能量收集系統(tǒng)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(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具有小巧和易用的特點，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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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。

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　　LTC3108 采用一個小的升壓型變壓器和一個內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)因而出現(xiàn)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。

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　　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(tǒng)供電。上電及斷電期間的輸出電壓排序可見于圖 3。VAUX 引腳上的一個并聯(lián)穩(wěn)壓器可防止VSTORE 被充電至 5.3V 以上。

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　　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。