超低壓轉(zhuǎn)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)，即由周圍環(huán)境中的能源而不是電池供電的系統(tǒng)。用周圍環(huán)境中的能源或“免費(fèi)”能源給無線傳感器節(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。

　　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)。能量收集無線傳感器系統(tǒng)在多種多樣的領(lǐng)域簡化了安裝和維護(hù)，例如樓宇自動(dòng)化、無線 / 自動(dòng)計(jì)量和預(yù)測性維護(hù)、以及其他無數(shù)的工業(yè)、軍事、汽車和消費(fèi)類應(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)換成無線傳感器系統(tǒng)可用的形式。

　　一切都?xì)w結(jié)為占空比問題

　　很多無線傳感器系統(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)都用來監(jiān)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(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。

　　能量收集來源

　　最常見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)：

　　1. 電輸出是不穩(wěn)定的，不適合直接用來給電子電路供電

　　2. 也許不能提供連續(xù)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給無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)字傳感器也是無處不在。

　　圖 1：典型無線傳感器系統(tǒng)配置

　　SENSORS：傳感器

　　ENERGY SOURCE (SOLAR, PEIZO, TEG, ETC.)：能源 (太陽能、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: 無線 HVAC 傳感器或地?zé)峁╇姷膫鞲衅? 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題。該器件能以低至 ±30mV 的輸入電壓工作，提供了緊湊、簡單、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 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 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，甚至給超級電容器或電池充電。當(dāng)無線傳感器工作并發(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，還提供開關(guān)輸出 (VOUT2)，以給沒有停機(jī)或低功率休眠模式的電路供電，該開關(guān)輸出很容易通過主器件控制。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關(guān)輸出

　　LOW POWER RADIO：低功率射頻

　　SENSOR (S)：傳感器