脈沖負(fù)載應(yīng)用 - 超低電壓能量收集器無線傳感器供電方案

　　由 TEG 供電的典型無線傳感器應(yīng)用如圖 13 所示。在這個(gè)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(shí)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(shí)，該電路能夠依靠低至 2oC 的溫差啟動(dòng)并對(duì) VOUT 電容器進(jìn)行充電。請(qǐng)注意，在轉(zhuǎn)換器的輸入端上跨接了一個(gè)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(dòng)。

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　　圖 13：由一個(gè) 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(shí)給 3.3V 傳感器供電。當(dāng)VOUT 達(dá)到其穩(wěn)定值的 93% 時(shí)，PGOOD 輸出將向微處理器發(fā)出指示信號(hào)。為了在輸入電壓不存在時(shí)保持運(yùn)作，在后臺(tái)從 VSTORE 引腳給 0.1F 存儲(chǔ)電容器充電。這個(gè)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(dòng)地由存儲(chǔ)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(chǔ)電容器的大小，以在 10ms 的持續(xù)時(shí)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(qǐng)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?yàn)榕c負(fù)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(gè) 470μF 的電容器。

　　采用所示的 TEG，在 ΔT 為 5oC 時(shí)工作，那么 LTC3108 在 3.3V 時(shí)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(jì)算出，首次給 VOUT 存儲(chǔ)電容器充電需要花多長時(shí)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(fù)載非常小 (相對(duì)于 560μA)，那么 VOUT 最初的充電時(shí)間為：

　　tCHARGE = 470μF ? 3.3V / 560μA = 2.77s

　　假定發(fā)送脈沖之間的負(fù)載電流非常小，那么一種簡單估計(jì)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 3.3V ? 560μA = 1.85mW) 除以脈沖期間所需的功率 (在本例情況下為 3.3V ? 15mA = 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(qǐng)注意，如果平均負(fù)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(chǔ)電容器充電 (如果需要存儲(chǔ)能力的話)。因此，在這個(gè)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(chǔ)電容器充電。在該場(chǎng)合中，VSTORE 電容器提供的存儲(chǔ)時(shí)間利用以下公式來計(jì)算：

　　tSTORE = 0.1F ? (5.25V - 3.3V) / (6μA + 15mA ? 0.01 / 0.5) = 637s

　　上述計(jì)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(fù)載極小。在此場(chǎng)合中，一旦存儲(chǔ)電容器達(dá)到滿充電狀態(tài)，它就能以 2Hz 的發(fā)送速率支持負(fù)載達(dá) 637s 的時(shí)間，或支持總共 1274 個(gè)發(fā)送脈沖。

　　利用后備電池的超低功率應(yīng)用

　　有些應(yīng)用或許沒有脈沖負(fù)載，但卻可能需要連續(xù)工作。傳統(tǒng)上，此類應(yīng)用由一個(gè)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(yīng)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(hù)成本。

　　圖 14 示出了一種利用后備電池來驅(qū)動(dòng)一個(gè)連續(xù)負(fù)載的能量收集應(yīng)用。在該例中，所有的電子線路均全部由 2.2V LDO 輸出來供電，且總電流消耗小于 200μA，只要 TEG 上至少存在 3oC 的溫度差，LTC3108 就能連續(xù)地給負(fù)載供電。在這些條件下，電池上沒有負(fù)載。當(dāng)可用的收集能量不夠時(shí)，3V鋰電池將無縫地“接管”并給負(fù)載供電。

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　　圖 14：具有后備電池的能量收集器

　　能量存儲(chǔ)替代方案

　　對(duì)于那些選用可再充電電池來替代主電池以提供備份或能量存儲(chǔ)的應(yīng)用，圖 14 中的二極管可以去掉，并用可再充電的鎳電池或鋰離子電池 (包括新型可再充電薄膜鋰電池) 來替換鋰電池。如果采用的是可再充電的鎳電池，則其自放電電流必須小于 LTC3108 所能供應(yīng)的平均充電電流。如果選用鋰離子電池，則需要增設(shè)額外的電路以保護(hù)其免遭過度充電和過度放電的損壞。另外還有一種存儲(chǔ)替代方案就是具有 5.25V 額定電壓的超級(jí)電容器，例如：Cooper-Bussman PB-5ROH104-R。與可再充電電池相比，超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)在于擁有更多的充 / 放電次數(shù)，而缺點(diǎn)則是能量密度低得多。

　　熱量收集應(yīng)用需要自動(dòng)極性

　　有些應(yīng)用 (例如：無線 HVAC 傳感器或地?zé)峁╇姷膫鞲衅? 對(duì)能量收集功率轉(zhuǎn)換器提出了另一種獨(dú)特的挑戰(zhàn)。此類應(yīng)用要求能量收集電源管理器不僅能夠依靠非常低的輸入電壓來工作，而且能以任一極性工作，因?yàn)?TEG 上的 ?T 的極性可能改變。這是一個(gè)特別棘手的難題，而且，在幾十或幾百 mV 的電壓條件下，二極管橋式整流器不是合適的選項(xiàng)。

　　LTC3109 是唯一適合克服這種從任一極性的能量源收集能量之挑戰(zhàn)的器件。LTC3109 運(yùn)用具 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(gè) LDO、一個(gè)數(shù)字可編程的輸出電壓、一個(gè)電源良好輸出、一個(gè)開關(guān)輸出和一個(gè)能量存儲(chǔ)輸出。LTC3109 采用 4mm x 4mm 20 引腳 QFN 封裝或 20 引腳 SSOP 封裝。圖 15 顯示了 LTC3109 在自動(dòng)極性應(yīng)用中的一個(gè)典型例子。如圖 16 所示，該轉(zhuǎn)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(shí)，都能同樣良好地工作。

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　　圖 15：自動(dòng)極性能量收集器供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)

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　　圖 16：圖 15 中轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線

　　LTC3109 也可以針對(duì)單極性操作進(jìn)行配置，采用單個(gè)變壓器 (與 LTC3108 相似) 來適應(yīng)那些需要盡可能低的啟動(dòng)電壓和盡可能高的輸出電流的應(yīng)用。圖 17 中示出的電路可在僅 15mV 的電壓下啟動(dòng)，該電壓是采用所示的 TEG 在小于 1oC 的溫差條件下產(chǎn)生的。在10oC 溫差時(shí)，它能夠提供穩(wěn)定的 5V 電壓 (在 0.74mA 電流下)，從而可輸送 3.7mW 的已調(diào)穩(wěn)態(tài)輸出功率。在相同的條件下，這幾乎達(dá)到了 LTC3108 輸出功率的兩倍，如圖 18 所示。

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　　圖 17：采用 LTC3108 的單極性轉(zhuǎn)換器能在僅 15mV 的電壓條件下啟動(dòng)

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　　圖 18：LTC3108 和 LTC3109輸出功率的比較

　　需要注意：在單極性配置中，LTC3109 對(duì) TEG 呈現(xiàn)出約 1Ω 的負(fù)載電阻，因此應(yīng)選擇一個(gè)具有非常低源電阻的 TEG 以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的負(fù)載匹配，否則在單極性配置中使用 LTC3109 將毫無優(yōu)勢(shì)可言，這一點(diǎn)很重要。本例中所采用的 TEG 具有 1.0Ω 的標(biāo)稱源電阻，旨在實(shí)現(xiàn)最佳的功率傳輸。

　　結(jié)論

　　LTC3108 和 LTC3109 能獨(dú)特地在輸入電壓低至 20mV 時(shí)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(shí)現(xiàn)熱能收集，以利用常見的熱電器件為無線傳感器和其他低功率應(yīng)用供電。這些產(chǎn)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電壓能力和高集成度，可最大限度地縮減解決方案占板面積。LTC3108、LTC3108-1 和 LTC3109 可與現(xiàn)有的低功率單元式部件實(shí)現(xiàn)無縫連接，以支持自主型無線傳感器并延長關(guān)鍵后備電池應(yīng)用中的電池使用壽命。