助推能量采集

圖2 在無線遠(yuǎn)程傳感器應(yīng)用中使用的LTC3108

LTC3108使用了一個(gè)耗盡型N溝道MOSFET開關(guān)，以一個(gè)外部升壓型變壓器和一個(gè)小的耦合電容器構(gòu)成一個(gè)諧振升壓型振蕩器。這使它能夠?qū)⒁粋€(gè)低至20mV的輸入電壓升至足夠高的電平，以提供多個(gè)用于給其他電路供電的已調(diào)輸出電壓。振蕩頻率由變壓器副端繞組的電感決定，典型值在20～200kHz之內(nèi)。

就低至20mV的輸入電壓而言，建議使用約1:100的主副端匝數(shù)比。對于更高的輸入電壓來說，可以使用較低的匝數(shù)比。這些變壓器是標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)成有售的元件，可以輕而易舉地從磁性元件供應(yīng)商那里得到。我們的復(fù)合耗盡型N溝道MOSFET就能實(shí)現(xiàn)20mV輸入電壓。

LTC3108采用一種“系統(tǒng)級(jí)”方法來解決復(fù)雜的問題。它可以轉(zhuǎn)換低壓電源，并管理多個(gè)輸出之間的電能。用一個(gè)外部充電泵電容器和LTC3108內(nèi)部的整流器能實(shí)現(xiàn)對變壓器副端繞組上產(chǎn)生的AC電壓的升壓和整流。這個(gè)整流器電路將電流饋送至VAUX引腳，從而向外部VAUX電容器，然后是其他輸出提供電荷。

內(nèi)部2.2V的LDO可以支持一個(gè)低功率處理器或其他低功率IC。該LDO由VAUX或VOUT中較高的一個(gè)供電。這使它在VOUT存儲(chǔ)電容器仍然在充電時(shí)，當(dāng)VAUX一充電到2.3V時(shí)就開始工作。倘若LDO輸出上出現(xiàn)階躍負(fù)載，如果VAUX降至低于VOUT，電流就可能來自主VOUT電容器。該LDO輸出可以提供高達(dá)3mA的電流。

VOUT上的主輸出電壓是用VAUX電源充電的，用戶利用電壓選擇引腳VS1和VS2，可將其編程至4個(gè)穩(wěn)定電壓之一。4個(gè)固定的輸出電壓是：用于超級(jí)電容器的2.35V、用于標(biāo)準(zhǔn)電容器的3.3V、用于鋰離子電池終止的4.1V和用于更高能量存儲(chǔ)和主系統(tǒng)軌為無線發(fā)送器或傳感器供電的5V，因此無須幾mΩ的外部電阻器。結(jié)果，LTC3108不需要像分立式設(shè)計(jì)那樣要用特殊的電路板涂層來最大限度地降低泄漏(例如，分立式設(shè)計(jì)需要電阻值很大的電阻器)。

第二個(gè)輸出VOUT2可以由主微處理器利用VOUT2_EN引腳來接通和斷開。啟動(dòng)后，VOUT2通過一個(gè)P溝道MOSFET開關(guān)連接到VOUT。這個(gè)輸出可以用來給外部電路（沒有低功率休眠或停機(jī)功能的傳感器或放大器等）供電。

VSTORE電容器可以具有非常大的電容值(幾千μF甚至幾F)，以在有可能失去輸入電源的時(shí)候提供保持作用。一旦上電操作完成，則主輸出、備用輸出和開關(guān)輸出均可使用。如果輸入電源發(fā)生故障，則操作仍然能夠借助VSTORE電容器的供電而得以持續(xù)。VSTORE輸出可用于在VOUT達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)之后對一個(gè)大存儲(chǔ)電容器或可再充電電池進(jìn)行充電。在VOUT達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)以后，將允許VSTORE輸出充電至高達(dá)VAUX電壓(該電壓被鉗位于5.3V)。VSTORE上的電能存儲(chǔ)元件不僅能夠在失去輸入電源的情況下用于給系統(tǒng)供電，而且還能夠在輸入電源所具備的能量不足時(shí)用于補(bǔ)充VOUT、VOUT2和LDO輸出所需要的電流。

結(jié)論
模擬開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)人才在全世界都處于短缺狀態(tài)的局面，設(shè)計(jì)一個(gè)如圖1所示的有效能量采集系統(tǒng)一直很難。不過，隨著LTC3108熱能收集和DC/DC升壓型轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)管理器的推出，這種情況將徹底改變。這個(gè)器件可以從太陽能電池、熱電發(fā)生器或其他類似熱源抽取能量。此外，該器件具有全面的功能并易于設(shè)計(jì)，極大地簡化了能量采集鏈條上難以進(jìn)行的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。