超低壓轉(zhuǎn)換器推動(dòng)熱電源能量收集的發(fā)展 - 全文

　　背景

　　用于測(cè)量和控制用途的超低功率無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)在大量增加，這種情況與新的能量收集技術(shù)相結(jié)合，已經(jīng)使得有可能產(chǎn)生完全自主運(yùn)行的系統(tǒng)，即由周?chē)h(huán)境中的能源而不是電池供電的系統(tǒng)。用周?chē)h(huán)境中的能源或“免費(fèi)”能源給無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電這種方法很有吸引力，因?yàn)檫@種方法可以對(duì)電池電源起到補(bǔ)充作用，或者完全不再需要電池或?qū)Ь€。當(dāng)更換電池或電池維護(hù)不方便、昂貴或危險(xiǎn)時(shí)，這種方法具有顯然的優(yōu)勢(shì)。

　　完全不用導(dǎo)線還使得很容易大規(guī)模擴(kuò)展監(jiān)視和控制系統(tǒng)。能量收集無(wú)線傳感器系統(tǒng)在多種多樣的領(lǐng)域簡(jiǎn)化了安裝和維護(hù)，例如樓宇自動(dòng)化、無(wú)線 / 自動(dòng)計(jì)量和預(yù)測(cè)性維護(hù)、以及其他無(wú)數(shù)的工業(yè)、軍事、汽車(chē)和消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用。能量收集的好處很明顯，但是有效的能量收集系統(tǒng)需要一種聰明的電源管理方法，以將極其微量的免費(fèi)能源轉(zhuǎn)換成無(wú)線傳感器系統(tǒng)可用的形式。

　　一切都?xì)w結(jié)為占空比問(wèn)題

　　很多無(wú)線傳感器系統(tǒng)都消耗非常低的平均功率，因此成為了用能量收集方法供電的首選系統(tǒng)。很多傳感器節(jié)點(diǎn)都用來(lái)監(jiān)視變化緩慢的物理量。因此，不用經(jīng)常進(jìn)行測(cè)量和發(fā)送測(cè)量結(jié)果，這使得系統(tǒng)以很低的占空比運(yùn)行，相應(yīng)地，平均功率需求也很低。例如，如果一個(gè)傳感器系統(tǒng)在喚醒時(shí)需要 3.3V/30mA （100mW），但每秒鐘僅有 10ms 處于工作狀態(tài)，那么假定在發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)中間的非工作狀態(tài)，傳感器系統(tǒng)的電流降至幾微安，則所需的平均功率僅為 1mW。如果同樣的無(wú)線傳感器每分鐘、而不是每秒鐘僅采樣和發(fā)送一次，那么平均功率就會(huì)降至不到 20μW。這種差別非常重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)能量收集方法提供的穩(wěn)定狀態(tài)功率都非常低，通常不高于幾毫瓦，在有些情況下僅為幾微瓦。應(yīng)用所需的平均功率越低，就越有可能用收集的能量供電。

　　能量收集來(lái)源

　　最常見(jiàn)的可收集能源是振動(dòng) （或運(yùn)動(dòng)）、光和熱。所有這些能源的換能器都有 3 個(gè)共同特點(diǎn)：

　　電輸出是不穩(wěn)定的，不適合直接用來(lái)給電子電路供電

　　也許不能提供連續(xù)的、不間斷的電源

　　一般產(chǎn)生非常低的平均輸出功率，通常在 10μW 至 10mW 范圍

　　如果要用這些能量源來(lái)給無(wú)線傳感器或其他電子產(chǎn)品供電，那么面向上述特點(diǎn)要求，就要進(jìn)行審慎的電源管理。

　　電源管理：能量收集中缺少的環(huán)節(jié)

　　由收集能量供電的典型無(wú)線傳感器系統(tǒng)可以劃分成 5 個(gè)基本組成部分，如圖 1 所示。除了電源管理部分，其他所有部分通常都面市有一段時(shí)間了。例如，以毫瓦功率運(yùn)行的微處理器、小型和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 RF 發(fā)送器、以及消耗非常低功率的收發(fā)器都可以廣泛地得到。低功率模擬和數(shù)字傳感器也是無(wú)處不在。

　　圖 1：典型無(wú)線傳感器系統(tǒng)配置

　　SENSORS：傳感器

　　ENERGY SOURCE （SOLAR， PEIZO， TEG， ETC.）：能源 （太陽(yáng)能、壓電器件、熱電發(fā)生器等）

　　POWER/ENERGY MANAGEMENT：功率 / 能量管理

　　uPROCESSOR：微處理器

　　RF LINK：RF 鏈路

　　在實(shí)現(xiàn)這種能量收集系統(tǒng)鏈路時(shí)，缺失的一環(huán)始終是可以依靠一個(gè)或多個(gè)常見(jiàn)免費(fèi)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(yīng)具有小巧、易用的特點(diǎn)，在采用由常見(jiàn)的能量收集源產(chǎn)生的異常高或低電壓工作時(shí)良好地運(yùn)行，并在理想的情況下提供與源阻抗的上佳負(fù)載匹配以實(shí)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(shí)所需消耗的電流必須非常小，且應(yīng)在使用極少分立組件的情況下產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。

　　有些應(yīng)用 （例如： 無(wú)線 HVAC 傳感器或地?zé)峁╇姷膫鞲衅鳎?給能量收集電源轉(zhuǎn)換器造成了另一種獨(dú)特的挑戰(zhàn)。這類(lèi)應(yīng)用要求能量收集電源管理器不僅能用非常低的輸入電壓工作，而且能隨著熱電發(fā)生器 （TEG） ?T 極性的變化，用任一極性的電壓工作。這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，在數(shù)十或數(shù)百毫伏電壓情況下，二極管橋型整流器不是一個(gè)可行的選擇。

　　LTC3109 采用 4mm x 4mm x 0.75mm 20 引腳 QFN 或 20 引腳 SSOP 封裝，解決了任一極性超低輸入電壓源的能量收集問(wèn)題。該器件能以低至 ±30mV 的輸入電壓工作，提供了緊湊、簡(jiǎn)單、高度集成的單片電源管理解決方案。這種獨(dú)特能力使該器件能用 TEG 給無(wú)線傳感器供電，而 TEG 可從低至 2°C 的溫度差 （?T） 中收集能量。運(yùn)用兩個(gè)小型 （6mm x 6mm） 現(xiàn)成有售的降壓型變壓器和少數(shù)低成本電容器，該器件就可提供為今天的無(wú)線傳感器電子產(chǎn)品供電所必需的穩(wěn)定輸出電壓。

　　LTC3109 運(yùn)用這些降壓型變壓器和內(nèi)部 MOSFET 形成一個(gè)諧振振蕩器，該振蕩器能用非常低的輸入電壓工作。運(yùn)用 1:100 的變壓比，該轉(zhuǎn)換器能以低至 30mV 的輸入啟動(dòng)，而無(wú)論電壓是哪種極性。變壓器副端繞組向充電泵和整流電路饋送電壓，以給該 IC 供電 （通過(guò) VAUX 引腳），并給輸出電容器充電。2.2V LDO 輸出設(shè)計(jì)為首先穩(wěn)定，以盡快給低功率微處理器供電。之后，主輸出電容器被充電至通過(guò) VS1 和 VS2 引腳設(shè)定的電壓 （2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V），以給傳感器、模擬電路、RF 收發(fā)器供電，甚至給超級(jí)電容器或電池充電。當(dāng)無(wú)線傳感器工作并發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，VOUT 存儲(chǔ)電容器在低占空比負(fù)載脈沖期間提供突發(fā)能量。另外，還提供開(kāi)關(guān)輸出 （VOUT2），以給沒(méi)有停機(jī)或低功率休眠模式的電路供電，該開(kāi)關(guān)輸出很容易通過(guò)主器件控制。還包括一個(gè)電源良好輸出以提醒主器件，主輸出電壓接近其穩(wěn)定值了。圖 2 顯示了 LTC3109 的電路原理圖。

　　圖 2：適用于單極性輸入工作方式的 LTC3109 原理圖

　　TEG （THERMOELECTRIC GENERATOR） ±30mV TO ±500mV

　　TEG （熱電發(fā)生器）：±30mV 至 ±500mV

　　OPTIONAL SWITCHED OUTPUT FOR SENSORS：用于傳感器的可選開(kāi)關(guān)輸出

　　LOW POWER RADIO：低功率射頻

　　SENSOR （S）：傳感器

　　一旦 VOUT 充電到穩(wěn)定狀態(tài)，那么收集的電流就轉(zhuǎn)而進(jìn)入 VSTORE 引腳，以給可選的大型存儲(chǔ)電容器或可再充電電池充電。如果能量收集電源處于間歇狀態(tài)，那么這種存儲(chǔ)單元可用來(lái)保持穩(wěn)定或給系統(tǒng)供電。VAUX 引腳上的并聯(lián)穩(wěn)壓器防止 VSTORE 充電至高于 5.3V。運(yùn)用一個(gè)典型的 40mm2 TEG，LTC3109 可以用低至 2°C 的 ?T 工作，從而使該器件適用于種類(lèi)繁多的能量收集應(yīng)用。較大的 ?T 使 LTC3109 能提供更大的平均輸出電流。該轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線如圖 3 所示，這條曲線說(shuō)明 LTC3109 用任一極性的輸入電壓都能同樣良好地發(fā)揮作用。

　　圖 3：LTC3109 輸出電流隨輸入電壓的變化

　　TRANSFORMERS：變壓器

　　熱電發(fā)生器

　　熱電發(fā)生器 （TEG） 其實(shí)就是熱電模塊，它利用塞貝克 （Seebeck） 效應(yīng)將設(shè)備上的溫差 （以及由于溫差所導(dǎo)致的流過(guò)設(shè)備的熱量） 轉(zhuǎn)換為電壓。這一現(xiàn)象的逆過(guò)程 （被稱為帕爾帖 ［Peltier］ 效應(yīng)） 則是通過(guò)施加電壓而產(chǎn)生溫差，并為熱電冷卻器 （TEC） 所慣用。輸出電壓的極性取決于 TEG 兩端溫差的極性。如果 TEG 的熱端和冷端掉換過(guò)來(lái)，那么輸出電壓就將改變極性。

　　TEG 由采用電串聯(lián)連接并夾在兩塊導(dǎo)熱陶瓷板之間的N型摻雜和P型摻雜半導(dǎo)體芯片對(duì)或偶所構(gòu)成。最常用的半導(dǎo)體材料是碲化鉍 （Bi2Te3）。圖 4 示出了 TEG 的機(jī)械構(gòu)造。

　　圖 4：TEG 的典型機(jī)械構(gòu)造

　　CERAMIC SUBSTRATE：陶瓷基板

　　NEGATIVE -：負(fù) （-）

　　CONDUCTOR TABS：導(dǎo)體接片

　　POSITIVE （+）：正 （+）

　　N-TYPE SEMICONDUCTOR PELLETS：N 型半導(dǎo)體芯片

　　P-TYPE SEMICONDUCTOR PELLETS：P 型半導(dǎo)體芯片

　　有些制造商將 TEG 與 TEC 區(qū)分開(kāi)來(lái)。當(dāng)作為 TEG 銷(xiāo)售時(shí)，通常意味著用于裝配模塊內(nèi)部電偶的焊料具有較高的熔點(diǎn)，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(biāo)準(zhǔn) TEC （其最大溫度通常限制在 125°C） 的輸出功率。大多數(shù)低功率能量收集應(yīng)用不會(huì)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(shù)常見(jiàn)的模塊都是方形的，每邊的長(zhǎng)度從10mm到50mm不等，厚度一般為2mm~5mm。

　　對(duì)于一個(gè)給定的 ΔT （與塞貝克系數(shù)成比例），TEG 將產(chǎn)生多大的電壓受控于諸多的變量。其輸出電壓為每 K 溫差 10mV 至 50mV （取決于電偶的數(shù)目），并具有 0.5Ω 至 10Ω 的源電阻。一般而言，對(duì)于給定的 ΔT，TEG 所擁有的串聯(lián)電偶越多，其輸出電壓就越高。然而，增加電偶的數(shù)目同時(shí)也將增加 TEG 的串聯(lián)電阻，從而導(dǎo)致在加載時(shí)產(chǎn)生較大的壓降。制造商可以通過(guò)調(diào)整個(gè)別半導(dǎo)體芯片的尺寸和設(shè)計(jì)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，以在保持低電阻的同時(shí)仍然提供一個(gè)較高的輸出電壓。在選擇 TEG 并使其與散熱器相匹配的過(guò)程中，TEG 的熱阻是另一個(gè)需要考慮的因素。

　　負(fù)載匹配

　　為了從任何電壓源抽取最大功率，負(fù)載阻抗必須與電源的內(nèi)阻匹配。圖 5 所示的例子說(shuō)明了這一點(diǎn)，在該例中，開(kāi)路電壓為 100mV、電源阻抗為 1? 或 3? 的電壓源驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載電阻器。

　　圖 5：電壓電源驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載的簡(jiǎn)化原理圖

　　LOAD OR POWER CONVERTER：負(fù)載或電源轉(zhuǎn)換器

　　圖 6 顯示了提供給負(fù)載的功率，該功率是負(fù)載電阻的函數(shù)。在每條曲線中都可以看到，當(dāng)負(fù)載電阻與電源電阻匹配時(shí)，提供給負(fù)載的功率最大。

　　圖 6：電源的輸出功率是負(fù)載電阻的函數(shù)

　　LTC3109 對(duì)輸入電源呈現(xiàn)出 2.5? 的最小輸入電阻。（請(qǐng)注意，這是轉(zhuǎn)換器的輸入電阻，而不是該 IC 本身的輸入電阻。） 這一電阻值落在大多數(shù) TEG 電源電阻范圍的中間部份，從而提供了良好的負(fù)載匹配，以實(shí)現(xiàn)接近最佳的功率傳遞。LTC3109 設(shè)計(jì)為： 隨著 VIN 下降，輸入電阻增大。這一特點(diǎn)允許 LTC3109 很好地適應(yīng)具不同源電阻的 TEG。

　　為發(fā)電選擇 TEG

　　大多數(shù)熱電模塊制造商都不提供輸出電壓或輸出功率隨溫差變化的數(shù)據(jù)，而這正是熱能收集器設(shè)計(jì)師想看到的東西。其他一些可能有用的 TEG 參數(shù)是電氣 （AC） 電阻和熱阻。制造商也不總是提供這些參數(shù)。兩個(gè)總是提供的參數(shù)是 VMAX 和 IMAX，這是特定模塊 （當(dāng)受到加熱 / 冷卻應(yīng)用驅(qū)動(dòng)時(shí)） 的最大工作電壓和最大工作電流。VMAX 除以 IMAX 將得到該模塊電阻的近似值。

　　如果有大量熱流可用，那么在 TEG 的一側(cè)可以提供充分的散熱，為發(fā)電而選擇熱電模塊時(shí)，一個(gè)良好的經(jīng)驗(yàn)法則是，就給定尺寸而言，選擇 （VMAX * IMAX） 之積最大的模塊。這樣選擇以后，一般能提供最高的 TEG 輸出電壓和最低的電源電阻。使用這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則時(shí)，有一點(diǎn)需要提醒的是，散熱器的尺寸必須按照 TEG 的大小確定。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，較大的 TEG 需要較大的散熱器。請(qǐng)注意，電阻如果已給定，那么給定的是 AC 電阻，因?yàn)槔脗鹘y(tǒng)方法，該電阻無(wú)法用 DC 電流測(cè)量，DC 電流會(huì)產(chǎn)生席貝克電壓，而該電壓又會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的電阻讀數(shù)。就可用熱流有限和 / 或必須使用較小散熱器的應(yīng)用而言，最好選擇其熱阻與最大可用散熱器匹配的 TEG 。

　　圖 7 顯示，在 1°C 至 20°C 的 ?T 范圍內(nèi)，一個(gè) 30mm2 的 TEG 之輸出電壓和最大輸出功率。在這一溫差范圍內(nèi)，輸出功率從數(shù)百微瓦變化到數(shù)十毫瓦。注意功率曲線假設(shè)一個(gè)理想負(fù)載匹配并且沒(méi)有轉(zhuǎn)換損耗。最終，由 LTC3109 將其升高到更高的電壓后，由于電源轉(zhuǎn)換損失，可用輸出功率會(huì)變小。LTC3109 的數(shù)據(jù)表針對(duì)幾種不同工作條件，提供了幾條可用輸出功率曲線。

　　圖 7：采用一個(gè) 30mm2 TEG 時(shí)的開(kāi)路電壓和最大功率耗散

　　OPEN-CIRCUIT：開(kāi)路

　　MAX， IDEAL：最大值、理想情況

　　127 COUPLES：127 個(gè)耦合器

　　就給定應(yīng)用而言，所需 TEG 的尺寸取決于最小可用 ?T、負(fù)載所需的最大平均功率以及用來(lái)保持 TEG 一側(cè)處于環(huán)境溫度的散熱器熱阻。

　　熱考慮

　　當(dāng)在溫度不同的兩個(gè)表面之間放置一個(gè) TEG 時(shí)，加入 TEG 之前的“開(kāi)路”溫差高于放置 TEG 之后 TEG 兩側(cè)的溫差。這是因?yàn)椋?TEG 本身的兩個(gè)面板之間有相當(dāng)?shù)偷臒嶙?（典型值為 1°C/W 至 10°C/W）。

　　例如，考慮以下情況，一個(gè)正在運(yùn)行的大型機(jī)器之表面溫度為 35°C，周?chē)h(huán)境溫度為 25°C。將一個(gè) TEG 安裝到該機(jī)器上時(shí)，必須給該 TEG 溫度較低 （環(huán)境溫度） 的一側(cè)增加散熱器，否則，整個(gè) TEG 會(huì)受熱升高到接近 35°C，從而消除了任何溫度差。請(qǐng)記住，輸出電功率是通過(guò) TEG 的熱流產(chǎn)生的。

　　在這個(gè)例子中，散熱器和 TEG 的熱阻決定，在 TEG 兩側(cè)總共存在多大的 ?T。該系統(tǒng)的簡(jiǎn)單熱模型如圖 8 所示。

　　圖 8： TEG 和散熱器的熱阻模型

　　AMBIENT TEMPERATURE：環(huán)境溫度

　　RTHERMAL OF HEATSINK：散熱器的 RTHERMAL

　　RTHERMAL OF TEG： TEG 的 RTHERMAL

　　RTHERMAL OF HEAT SOURCE：熱源的 RTHERMAL

　　HEAT SOURCE：熱源

　　假定熱源的熱阻 （RS） 可以忽略不計(jì)，TEG 的熱阻 （RTEG） 為 6°C/W，散熱器的熱阻為 6°C/W，那么 TEG 上產(chǎn)生的 ?T 僅為 5°C。從一個(gè)其上僅有幾度溫差的 TEG 僅能產(chǎn)生很低的輸出電壓，這突出顯示了 LTC3109 能用超低輸入電壓工作所具有的重要性。

　　請(qǐng)注意，與較小的 TEG 相比，較大的 TEG 因?yàn)楸砻娣e較大，所以通常有較低的熱阻。因此，在應(yīng)用中，若在 TEG 一側(cè)使用相對(duì)較小的散熱器，那么與較小的 TEG 相比，較大的 TEG 上的 ?T 將較小，因此也許未必提供更大的輸出功率。在任何情況下，使用具最低熱阻的散熱器，都能通過(guò)最大限度地增大 TEG 上的溫差，而最大限度地增大電輸出。

　　對(duì)于有較大溫差 （即較高的輸入電壓） 可用的應(yīng)用而言，匝數(shù)比較小的變壓器 （例如 1:50 或 1:20） 可用來(lái)提供較大的輸出電流。作為一個(gè)一般性的規(guī)則，在有負(fù)載情況下，如果最低輸入電壓至少為 50mV，那么建議使用 1：50 的匝數(shù)比。如果最低輸入電壓至少為 150mV，那么建議使用 1：20 的匝數(shù)比。

　　具電池備份的超低功率應(yīng)用

　　有些應(yīng)用是連續(xù)運(yùn)行的。這類(lèi)應(yīng)用傳統(tǒng)上由小型主電池供電 （例如 3V 鋰離子幣形電池）。如果功率需求足夠低，那么這類(lèi)應(yīng)用可以靠熱量收集連續(xù)供電，或者可以利用熱量收集來(lái)極大地延長(zhǎng)電池壽命，從而降低維護(hù)成本。當(dāng)所有電子產(chǎn)品消耗的功率低于能量收集電源能提供的功率時(shí)，只要 TEG 上存在溫差，LTC3109 能連續(xù)給負(fù)載供電。在這種情況下，電池上沒(méi)有負(fù)載。當(dāng)收集的能量不夠用時(shí)，備份電池?zé)o縫地加入進(jìn)來(lái)，并給負(fù)載供電。

　　結(jié)論

　　LTC3109 能獨(dú)特地以低至 ±30mV 的輸入電壓工作，提供了一種簡(jiǎn)單和高效的電源管理解決方案，該解決方案使得能從常見(jiàn)的熱電器件利用熱能收集給無(wú)線傳感器以及其他低功率應(yīng)用供電。LTC3109 采用 20 引腳 QFN 或 SSOP 封裝，提供前所未有的低壓能力和高集成度，以最大限度地減小解決方案尺寸。LTC3109 與現(xiàn)有低功率基本構(gòu)件無(wú)縫連接，以支持自主工作的無(wú)線傳感器，并在關(guān)鍵電池備份應(yīng)用中延長(zhǎng)電池壽命。