超低壓轉換器推動(dòng)熱電源能量收集的發(fā)展

　　背景

　　用于測量和控制用途的超低功率無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)在大量增加，這種情況與新的能量收集技術(shù)相結合，已經(jīng)使得有可能產(chǎn)生完全自主運行的系統，即由周?chē)h(huán)境中的能源而不是電池供電的系統。用周?chē)h(huán)境中的能源或“免費”能源給無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)供電這種方法很有吸引力，因為這種方法可以對電池電源起到補充作用，或者完全不再需要電池或導線(xiàn)。當更換電池或電池維護不方便、昂貴或危險時(shí)，這種方法具有顯然的優(yōu)勢。

　　完全不用導線(xiàn)還使得很容易大規模擴展監視和控制系統。能量收集無(wú)線(xiàn)傳感器系統在多種多樣的領(lǐng)域簡(jiǎn)化了安裝和維護，例如樓宇自動(dòng)化、無(wú)線(xiàn) / 自動(dòng)計量和預測性維護、以及其他無(wú)數的工業(yè)、軍事、汽車(chē)和消費類(lèi)應用。能量收集的好處很明顯，但是有效的能量收集系統需要一種聰明的電源管理方法，以將極其微量的免費能源轉換成無(wú)線(xiàn)傳感器系統可用的形式。

　　一切都歸結為占空比問(wèn)題

　　很多無(wú)線(xiàn)傳感器系統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。很多傳感器節點(diǎn)都用來(lái)監視變化緩慢的物理量。因此，不用經(jīng)常進(jìn)行測量和發(fā)送測量結果，這使得系統以很低的占空比運行，相應地，平均功率需求也很低。例如，如果一個(gè)傳感器系統在喚醒時(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)數據中間的非工作狀態(tài)，傳感器系統的電流降至幾微安，則所需的平均功率僅為 1mW。如果同樣的無(wú)線(xiàn)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，因為大多數能量收集方法提供的穩定狀態(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)：

　　1. 電輸出是不穩定的，不適合直接用來(lái)給電子電路供電

　　2. 也許不能提供連續的、不間斷的電源

　　3. 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(xiàn)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

　　由收集能量供電的典型無(wú)線(xiàn)傳感器系統可以劃分成 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，以毫瓦功率運行的微處理器、小型和經(jīng)濟實(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。低功率模擬和數字傳感器也是無(wú)處不在。

　　圖 1：典型無(wú)線(xiàn)傳感器系統配置

　　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)現這種能量收集系統鏈路時(shí)，缺失的一環(huán)始終是可以依靠一個(gè)或多個(gè)常見(jiàn)免費能源工作的功率轉換器 / 電源管理構件。能量收集的理想電源管理解決方案應具有小巧、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)良好地運行，并在理想的情況下提供與源阻抗的上佳負載匹配以實(shí)現最優(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，且應在使用極少分立組件的情況下產(chǎn)生穩定的輸出電壓。

　　有些應用 (例如: 無(wú)線(xiàn) HVAC 傳感器或地熱供電的傳感器) 給能量收集電源轉換器造成了另一種獨特的挑戰。這類(lèi)應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(zhù)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)非常具有挑戰性的問(wèn)題，在數十或數百毫伏電壓情況下，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。這種獨特能力使該器件能用 TEG 給無(wú)線(xiàn)傳感器供電，而 TEG 可從低至 2°C 的溫度差 (?T) 中收集能量。運用兩個(gè)小型 (6mm x 6mm) 現成有售的降壓型變壓器和少數低成本電容器，該器件就可提供為今天的無(wú)線(xiàn)傳感器電子產(chǎn)品供電所必需的穩定輸出電壓。

　　LTC3109 運用這些降壓型變壓器和內部 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。運用 1:100 的變壓比，該轉換器能以低至 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 輸出設計為首先穩定，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，甚至給超級電容器或電池充電。當無(wú)線(xiàn)傳感器工作并發(fā)送數據時(shí)，VOUT 存儲電容器在低占空比負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