采用超低電壓轉(zhuǎn)換器改善從熱電能源的能量收集

　　LTC3109采用這些升壓變壓器和內(nèi)部MOSFET形成了一個(gè)諧振振蕩器，該振蕩器能夠采用非常低的輸入電壓運(yùn)作。利用一個(gè)1：100的變壓器匝數(shù)比，此轉(zhuǎn)換器能依靠低至30mV的輸入實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)，這與輸入的極性無(wú)關(guān)。變壓器副端繞組負(fù)責(zé)為一個(gè)充電泵和整流器電路饋電，這用于給IC供電（通過VAUX引腳）及對(duì)輸出電容器進(jìn)行充電。2.2V LDO輸出被設(shè)計(jì)為首先處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，以盡快地為一個(gè)低功率微處理器供電。之后，主輸出電容器被充電至由VS1和VS2引腳設(shè)置的電壓（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，甚至給一個(gè)超級(jí)電容器或電池充電。當(dāng)無(wú)線傳感器處于運(yùn)行狀態(tài)并發(fā)送信號(hào)時(shí)，VOUT存儲(chǔ)電容器將提供低占空比負(fù)載脈沖期間所需的突發(fā)能量。另外，還提供了一個(gè)可由主機(jī)輕松控制的開關(guān)輸出（VOUT2），用于為那些沒有停機(jī)或低功率睡眠模式的電路供電。該器件內(nèi)置了一個(gè)電源良好輸出，用以向主機(jī)發(fā)出“主輸出電壓接近其穩(wěn)定值”的提示信號(hào)。圖2示出了LTC3109的電路原理圖。

　　圖2：針對(duì)單極輸出操作的LTC3109原理圖

　　熱電發(fā)生器

　　熱電發(fā)生器其實(shí)就是熱電模塊，它利用塞貝克（Seebeck）效應(yīng)將設(shè)備上的溫度差（以及由于溫度差所導(dǎo)致流過設(shè)備的熱量）轉(zhuǎn)換為電壓。這一現(xiàn)象的逆過程（被稱為帕爾帖［Peltier］效應(yīng)）則是通過施加電壓而產(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兩端溫度差的極性。如果TEG的熱端和冷端掉換過來(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3示出了TEG的機(jī)械構(gòu)造。

　　圖3：TEG的典型機(jī)械構(gòu)造

　　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），并具有大約0.5Ω至5Ω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)目也會(huì)增加TEG的串聯(lián)電阻，從而導(dǎo)致在加載時(shí)產(chǎn)生較大的電壓降。制造商可以通過調(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)仍然提供較高的輸出電壓。TEG的熱阻則是在選擇TEG以及使其與散熱器匹配時(shí)所需考慮的另一個(gè)因素。

　　結(jié)論

　　憑借其可在低至±30mV的輸入電壓下運(yùn)作之獨(dú)特能力，LTC3109提供了一款簡(jiǎn)單和高效的電源管理解決方案，其實(shí)現(xiàn)的熱能收集可用于從常見的熱電器件來(lái)給無(wú)線傳感器和其他的低功率應(yīng)用供電。該產(chǎn)品采用20引腳QFN封裝或SSOP封裝，可提供前所未有的低電壓能力和很高的集成度，以最大限度地縮減解決方案的占板面積。LTC3109可與現(xiàn)有的低功率構(gòu)件無(wú)縫連接，以支持自主型無(wú)線傳感器并延長(zhǎng)關(guān)鍵型電池后備應(yīng)用中的電池壽命。