超低壓轉(zhuǎn)換器推動(dòng)熱電源能量收集的發(fā)展

　　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)