超低電壓能量收集器利用廢熱為無(wú)線(xiàn)傳感器供電
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測量和控制所需的超低功率無(wú)線(xiàn)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。
在替換或維護電池不方便、昂貴或危險時(shí)，這顯然是有好處的。由收集能量供電的傳感器節點(diǎn)可以在樓宇自動(dòng)化、無(wú)線(xiàn) / 自動(dòng)測量、前瞻性維護、和其他很多工業(yè)、軍事、汽車(chē)和消費類(lèi)應用中使用。能量收集的好處是顯而易見(jiàn)的，但是有效的能量收集系統需要智能電源管理電路，以將微量免費能量轉換成無(wú)線(xiàn)傳感器系統可使用的形式。
歸根結底是占空比問(wèn)題
很多無(wú)線(xiàn)傳感器系統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。因為傳感器節點(diǎn)常常用來(lái)監視緩慢變化的物理量，所以可以不經(jīng)常進(jìn)行測量，也不需要經(jīng)常發(fā)送測量數據，因此傳感器節點(diǎn)是以非常低的占空比工作的，相應地，平均功率需求也很小。例如，如果一個(gè)傳感器系統在工作時(shí)需要 3.3V/30mA (100mW)，但是每 10s 僅有 10ms 時(shí)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(shí)，傳感器系統電流降至數 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(shí)現實(shí)際的能量收集系統時(shí)，缺失的一環(huán)始終是可以靠一個(gè)或多個(gè)常見(jiàn)免費能源工作的電源轉換器 / 電源管理構件。LTC3108 能在輸入電壓低至 20mV 時(shí)啟動(dòng)，為熱能收集補上了缺失的這一環(huán)。LTC3108 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(wú)線(xiàn)傳感器供電提供了一個(gè)緊湊、簡(jiǎn)單和高度集成的電源管理解決方案。
參見(jiàn)圖 1，LTC3108 用一個(gè)小的升壓型變壓器和一個(gè)內部 MOSFET 形成一個(gè)諧振振蕩器。變壓器的升壓比為 1:100 時(shí)，該轉換器能以低至 20mV 的輸入電壓啟動(dòng)。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 的輸出設計成首先進(jìn)入穩定狀態(tài)，以盡快給微處理器供電。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。當無(wú)線(xiàn)傳感器工作并發(fā)送數據因而出現低占空比負載脈沖時(shí)，VOUT 存儲電容器提供所需的突發(fā)能量。還提供一個(gè)開(kāi)關(guān)輸出 (VOUT2)，以給沒(méi)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定值了。一旦 VOUT 進(jìn)入穩定狀態(tài)，那么所收集的電流就被導向 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(gè)存儲組件就可用來(lái)給系統供電。還有一個(gè) LTC3108-1 版本的器件，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(shí)就是逆向工作的熱電冷卻器 (TEC)。熱電發(fā)生器應用席貝克效應 (Seebeck Effect) 將設備 (通過(guò)該設備產(chǎn)生熱量流動(dòng)) 上的溫度差轉換成電壓。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(guò)來(lái)，那么輸出電壓就改變極性。TEG 可以用一個(gè)受溫度影響的電壓源模型加一個(gè)串聯(lián)電阻 (規定為 AC 電阻) 來(lái)代表。
TEG 的尺寸和電氣規格多種多樣。大多數模組都是方形的，每邊的長(cháng)度從 10mm 至 50mm 不等，標準厚度為 2mm 至 5mm。它們的開(kāi)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(lái)冷卻 TEG 一側的散熱器熱阻。
為了從 TEG 抽取可獲得的最大功率，轉換器輸入阻抗必須相對于 TEG AC 電阻提供合理的負載匹配。LTC3108 轉換器呈現約 2.5 的輸入阻抗，這剛好在大多數 TEG AC 電阻 (0.5 至 7.5) 范圍的中間。
需要考慮的熱量問(wèn)題
當在一個(gè)溫暖的表面放置 TEG 以收集能量時(shí)，必須給 TEG 溫度較低的一側增加散熱器，以允許熱量傳送到周?chē)諝庵?。由于散熱器的熱阻，?TEG 上呈現的 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)。
參見(jiàn)圖 2 所示的簡(jiǎn)單熱模型，考慮如下例子，一個(gè)大型機器在周?chē)h(huán)境溫度為 25°C、表面溫度為 35°C 的情況下工作。將一個(gè) TEG 連接到這臺機器上，同時(shí)在 TEG 溫度較低 (環(huán)境溫度) 的一側加上一個(gè)散熱器。
圖 2：TEG 和散熱器簡(jiǎn)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，所以大型 TEG 比小型 TEG 熱阻低，因此需要較大的散熱器才有利。在受到尺寸或成本限制而必須使用相對較小的散熱器的應用中，較小的 TEG 也許比大型 TEG 提供更多的輸出功率。熱阻等于或小于 TEG 熱阻的散熱器可最大限度地提高 TEG 上的溫度差，因此能最大限度地提高電輸出。
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