超低電壓能量收集器利用廢熱為無線傳感器供電

1、    超低電壓能量收集器利用廢熱為無線傳感器供電測量和控制所需的超低功率無線傳感器用量的激增、再加上新型能量采集技術(shù)的運用，使得能夠制造出由局部環(huán)境能量而非電池供電的全自主型系統(tǒng)。在替換或維護電池不方便、昂貴或危險時，這顯然是有好處的。由收集能量供電的傳感器節(jié)點可以在樓宇自動化、無線/自動測量、前瞻性維護、和其他很多工業(yè)、軍事、汽車和消費類應(yīng)用中使用。能量收集的好處是顯而易見的，但是有效的能量收集系統(tǒng)需要智能電源管理電路，以將微量免費能量轉(zhuǎn)換成測量和控制所需的超低功率無線傳感器用量的激增、再加上新型能量采集技術(shù)的運用，使得能夠制造出由局部環(huán)境能量而非電

2、池供電的全自主型系統(tǒng)。在替換或維護電池不方便、昂貴或危險時，這顯然是有好處的。由收集能量供電的傳感器節(jié)點可以在樓宇自動化、無線 / 自動測量、前瞻性維護、和其他很多工業(yè)、軍事、汽車和消費類應(yīng)用中使用。能量收集的好處是顯而易見的，但是有效的能量收集系統(tǒng)需要智能電源管理電路，以將微量免費能量轉(zhuǎn)換成無線傳感器系統(tǒng)可使用的形式。歸根結(jié)底是占空比問題    很多無線傳感器系統(tǒng)消耗非常低的平均功率，從而成為由收集的能量供電的主要對象。因為傳感器節(jié)點常常用來監(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(yīng)地，平

3、均功率需求也很小。例如，如果一個傳感器系統(tǒng)在工作時需要 3.3V/30mA (100mW)，但是每 10s 僅有 10ms時間在工作，那么所需平均功率僅為 0.1mW，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) uA。電源管理：迄今為止在能量收集中仍然缺失的一環(huán)    僅消耗 uW 功率的微處理器和模擬傳感器以及小型、低成本、低功率 RF 收發(fā)器得到了廣泛采用。在實現(xiàn)實際的能量收集系統(tǒng)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電源轉(zhuǎn)換器 / 電源管理構(gòu)件。LTC3108 能在輸入電壓低至 20mV 時啟動，為熱能收集補上了缺失的這一環(huán)。LT

4、C3108 采用 3mm x 4mm x 0.75mm 12 引腳 DFN 或 16 引腳 SSOP 封裝，為用熱電發(fā)生器 (TEG)、以低至 1°C 的溫度差 (T) 給無線傳感器供電提供了一個緊湊、簡單和高度集成的電源管理解決方案。    參見圖 1，LTC3108 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。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。變壓器的次級繞組向充電泵和整流器電路饋送電壓，然后給該 IC 供電，并給輸出電容器充電。2.2V LDO 的輸出設(shè)計成首先進入穩(wěn)定狀態(tài)，以盡快

5、給微處理器供電。然后，給主輸出電容器充電至由 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、模擬電路或 RF 收發(fā)器供電。當(dāng)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。還提供一個開關(guān)輸出 (VOUT2)，以給沒有停機或休眠模式的電路供電。電源良好輸出提醒主機，主輸出電壓接近其穩(wěn)定值了。一旦 VOUT進入穩(wěn)定狀態(tài)，那么所收集的電流就被導(dǎo)向 VSTORE引腳，以給可選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，那么這個存儲組件就可用來給系統(tǒng)供電。還有一個 LTC3108-1 版本的器件，

6、除了提供一套不同的可選輸出電壓 (2.5V、3.0V、3.7V 或 4.5V) 以外，與 LTC3108 完全相同。 圖 1：LTC3108 方框圖熱電發(fā)生器的基本原理    熱電發(fā)生器 (TEG) 其實就是逆向工作的熱電冷卻器 (TEC)。熱電發(fā)生器應(yīng)用席貝克效應(yīng) (Seebeck Effect) 將設(shè)備 (通過該設(shè)備產(chǎn)生熱量流動) 上的溫度差轉(zhuǎn)換成電壓。輸出電壓的幅度和極性取決于 TEG 上溫度差的幅度和極性。如果 TEG 的熱端和冷端掉換過來，那么輸出電壓就改變極性。TEG 可以用一個受溫度影響的電壓源模型加一個串聯(lián)電阻(規(guī)定為 AC 電阻) 來代

7、表。    TEG 的尺寸和電氣規(guī)格多種多樣。大多數(shù)模組都是方形的，每邊的長度從 10mm 至 50mm 不等，標準厚度為 2mm 至 5mm。它們的開路輸出電壓視尺寸不同而不同，范圍為 10mV/K 至 50mV/K。一般而言，對于給定的 T，較大的模組可提供較大的 VOUT，但是有更高的 AC 阻抗和更低的熱阻。就給定應(yīng)用而言，所需要的 TEG 大小取決于可用的 T、負載需要的最大平均功率、以及用來冷卻 TEG 一側(cè)的散熱器熱阻。    為了從 TEG 抽取可獲得的最大功率，轉(zhuǎn)換器輸入阻抗必須相對于 TEG AC 電阻提供合理的負

8、載匹配。LTC3108 轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)約 2.5 的輸入阻抗，這剛好在大多數(shù) TEG AC 電阻 (0.5 至 7.5) 范圍的中間。需要考慮的熱量問題    當(dāng)在一個溫暖的表面放置 TEG 以收集能量時，必須給 TEG 溫度較低的一側(cè)增加散熱器，以允許熱量傳送到周圍空氣中。由于散熱器的熱阻，在 TEG 上呈現(xiàn)的 T 將低于溫暖表面和環(huán)境之間的溫度差，因為 TEG 具有相對較低的熱阻 (典型情況下在 1°C/W 至 20°C/W 范圍內(nèi))。    參見圖 2 所示的簡單熱模型，考慮如下例子，一個大型機器在周圍環(huán)境溫度為 25°C、表面溫度為 35°C 的情況下工作。將一個 TEG 連接到這臺機器上，同時在 TEG 溫度較低 (環(huán)境溫度) 的一側(cè)加上一個散熱器。 圖 2：TEG 和散熱器簡單的熱模型散熱器和 TEG 的熱阻確定了 10oC總溫差 (T) 的哪一部分存在于 TEG 的兩端。假定熱源 (RS) 的熱阻可忽略不計，如果 TEG 的熱阻 (RTEG) 為 4°C/W，散熱器的熱阻 (RHS) 也為 4°C/W，那么落在 TEG 上的 T 僅為 5°C。    由于較大的 TEG 表面積增大了，所