超低電壓能量收集器采用熱電發(fā)生器為無(wú)電池?zé)o線傳感器供電

圖 5：電壓電源驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載的簡(jiǎn)化原理圖

圖 6：電源的輸出功率與負(fù)載電阻的函數(shù)關(guān)系

LTC3108 給輸入電源提供了一個(gè)約 2.5Ω 的最小輸入電阻。(請(qǐng)注意：這是轉(zhuǎn)換器而不是 IC 本身的輸入電阻。) 這處于大多數(shù) TEG 源電阻范圍的中間，從而為實(shí)現(xiàn)近乎最佳的功率傳輸提供了優(yōu)良的負(fù)載匹配。LTC3108 的設(shè)計(jì)是：當(dāng) VIN 下降時(shí)，輸入電阻增大 (如圖 7 所示)。該特性令 LTC3108 能夠很好地適應(yīng)具有不同源電阻的 TEG。

圖 7：LTC3108 的輸入電阻與 VIN 的關(guān)系曲線 (采用 1:100 匝數(shù)比)

由于轉(zhuǎn)換器的輸入電阻相當(dāng)?shù)停虼藷o(wú)論負(fù)載大小如何它都將從電源吸收電流。以圖 8 所示為例：當(dāng)采用一個(gè) 100mV 輸入時(shí)，轉(zhuǎn)換器從電源吸收約 37mA 的電流。不可把該輸入電流誤當(dāng)作 IC 本身所需的為其內(nèi)部電路供電的 6μA 靜態(tài)電流 (取自 VAUX)。當(dāng)在極低電壓條件下啟動(dòng)或依靠一個(gè)存儲(chǔ)電容器來(lái)工作時(shí)，低靜態(tài)電流的意義最為重大。

圖 8：LTC3108 的輸入電流與 VIN 的關(guān)系曲線 (采用 1:100 匝數(shù)比)

選擇用于發(fā)電的 TEG
大多數(shù)熱電模塊制造商均未提供有關(guān)輸出電壓或輸出功率與溫差之間關(guān)系的數(shù)據(jù)，而這恰恰是熱能收集器設(shè)計(jì)人員所希望了解的。始終提供的兩個(gè)參數(shù)是 VMAX 和 IMAX，即某個(gè)特定模塊的最大工作電壓和最大工作電流 (當(dāng)在某種加熱 / 冷卻應(yīng)用中處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí))。

在選擇針對(duì)發(fā)電用途的熱電模塊時(shí)，上佳的經(jīng)驗(yàn)法則是在給定的尺寸下選擇具有最大 (VMAX ? IMAX) 乘積的模塊。這通常將提供最高的 TEG 輸出電壓和最低的源電阻。對(duì)此經(jīng)驗(yàn)法則有一條附加說(shuō)明，這就是散熱器的尺寸必須根據(jù) TEG 的尺寸來(lái)確定。較大的 TEG 需要大一些的散熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的性能。需要注意的是，制造商如果提供了電阻參數(shù)的話，那么指的是 AC 電阻，這是因?yàn)樗鼰o(wú)法使用 DC 電流以傳統(tǒng)的方式來(lái)測(cè)量 (DC 電流會(huì)引發(fā) Seebeck 電壓，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的電阻讀數(shù))。圖 9 是一幅曲線圖，給出了采用 13 種不同的 TEG 時(shí) (固定 ΔT = 5oC) LTC3108 的功率輸出與每個(gè)模塊的 (VMAX ? IMAX) 乘積的關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)，當(dāng) VI 乘積較高時(shí)，LTC3108 提供的輸出功率通常也較高。

圖 9：LTC3108 輸出功率與具有不同 V 和 I 乘積的 TEG 關(guān)系曲線

圖 10 示出了一個(gè)邊長(zhǎng) 30mm 的方形 TEG 在 1oC 至 20oC 的 ΔT 范圍內(nèi)輸出電壓及最大輸出功率能力。在該 ΔT 范圍內(nèi)，輸出功率從幾百 μW 到幾十 mW 不等。需要指出的是：該功率曲線是在假設(shè)擁有理想的負(fù)載匹配且無(wú)轉(zhuǎn)換損耗的情況下得出的。最后，在利用 LTC3108 提升至一個(gè)較高電壓之后可獲得的輸出功率將由于功率轉(zhuǎn)換損耗的原因而低于圖中示出的數(shù)值。LTC3108 的產(chǎn)品手冊(cè)中給出了幾幅在多種不同工作條件下可提供輸出功率的曲線圖。

圖 10：典型 TEG 的開(kāi)路電壓及最大功率輸出

就給定應(yīng)用而言，所需要的 TEG 尺寸取決于可用的最小 ΔT、負(fù)載所需的最大平均功率、以及用于將 TEG 的一端保持于環(huán)境溫度的散熱器的熱阻。LTC3108 的最大功率輸出位于 15μW/K-cm2 至 30μW/K-cm2 之間，具體數(shù)值取決于所選擇的變壓器匝數(shù)比和特定的 TEG。表1 羅列了一些推薦使用的 TEG 器件型號(hào)。

表1 :推薦使用的 TEG器件

需要考慮的熱量問(wèn)題
當(dāng)把一個(gè) TEG 置于兩個(gè)處于不同溫度的面之間時(shí)，在加入 TEG 之前的“開(kāi)路”溫差高于 TEG 放置到位時(shí)其上的溫差。這是由于 TEG 本身在其陶瓷板之間具有一個(gè)相當(dāng)?shù)偷臒嶙?(通常為 1oC/W 至 10oC/W) 所致。

考慮如下的例子，一部大型機(jī)器在周圍環(huán)境溫度為 25oC 以及表面溫度為 35oC 的情況下工作。當(dāng)將一個(gè) TEG 連接到這臺(tái)機(jī)器時(shí)，必須同時(shí)在 TEG 溫度較低 (環(huán)境溫度) 的一端加上一個(gè)散熱器，否則整個(gè) TEG 將升溫至接近 35oC，從而消除掉所有的溫差。需要牢記一點(diǎn)：電輸出功率正是產(chǎn)生自流過(guò) TEG 的熱量。

在該例中，散熱器和 TEG 的熱阻確定了總溫差 (ΔT) 的哪一部分存在于 TEG 的兩端。該系統(tǒng)的簡(jiǎn)單熱模型示于圖 11。假定熱源 (RS) 的熱阻可忽略不計(jì)，如果 TEG 的熱阻 (RTEG) 為 2oC/W，散熱器的熱阻為 8oC/W，那么落在 TEG 上的 ΔT 僅為 2oC。在 TEG 上的溫度只有區(qū)區(qū)幾 oC 的情況下，其輸出電壓很低，此時(shí) LTC3108 能夠依靠超低輸入電壓工作的重要性就凸顯出來(lái)了。

圖 11：TEG 和散熱器的熱阻模型

請(qǐng)注意：由于較大的 TEG 其表面積增大了，所以大型 TEG 通常比小型 TEG 熱阻低。因此，在那些于 TEG 的一端采用了一個(gè)較小散熱器的應(yīng)用中，較大的 TEG 上的 ΔT 有可能小于較小的 TEG，故而未必會(huì)提供更多的輸出功率。無(wú)論在何種情況下，都應(yīng)采用具有盡可能低熱阻的散熱器，以通過(guò)最大限度地提高 TEG 上的溫度差來(lái)實(shí)現(xiàn)電輸出的最大化。

選擇最佳的變壓器匝數(shù)比
對(duì)于那些可提供較高溫度差 (即較高的輸入電壓) 的應(yīng)用，可以采用一個(gè)匝數(shù)比較低 (例如：1:50 或 1:20) 的變壓器以提供較高的輸出電流能力。作為經(jīng)驗(yàn)法則，假如最小輸入電壓在加載時(shí)至少為 50mV，則建議采用 1:50 的匝數(shù)比。倘若最小輸入電壓至少為 150mV，那么就建議使用 1:20 的匝數(shù)比。文中討論的所有匝數(shù)比在市面上均有現(xiàn)成可售的 Coilcraft 器件 (包括特定器件型號(hào)在內(nèi)的更多信息請(qǐng)查閱 LTC3108 的產(chǎn)品手冊(cè))。圖 12 中的曲線示出了在采用兩種不同的變壓器升壓比及兩種不同尺寸的 TEG 時(shí)，LTC3108 在某一溫度差范圍內(nèi)的輸出功率能力。

圖 12：對(duì)于兩種 TEG 尺寸及兩種變壓器匝數(shù)比的 LTC3108 輸出功率
與 ?T 的關(guān)系曲線 (VOUT = 5V)

脈沖負(fù)載應(yīng)用
由 TEG 供電的典型無(wú)線傳感器應(yīng)用如圖 13 所示。在這個(gè)例子中，TEG 上至少有 2oC 的溫差可用，因此選擇 1:50 的變壓器升壓比，以在 2oC 至 10oC ΔT 的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高的輸出功率。當(dāng)采用圖示的 TEG (邊長(zhǎng) 40mm 的方形器件，具有 1.25Ω 的電阻) 時(shí)，該電路能夠依靠低至 2oC 的溫差啟動(dòng)并對(duì) VOUT 電容器進(jìn)行充電。請(qǐng)注意，在轉(zhuǎn)換器的輸入端上跨接了一個(gè)大容量的去耦電容器。在輸入電壓與 TEG 之間提供良好的去耦可最大限度地減小輸入紋波、提升輸出功率能力并在盡可能低的ΔT 條件下啟動(dòng)。

圖 13：由一個(gè) TEG 來(lái)供電的無(wú)線傳感器應(yīng)用

在圖 13 所示的例子中，2.2V LDO 輸出負(fù)責(zé)給微處理器供電，而 VOUT 利用VS1 和 VS2 引腳設(shè)置為 3.3V，以給 RF 發(fā)送器供電。開(kāi)關(guān) VOUT (VOUT2) 由微處理器控制，以僅在需要時(shí)給 3.3V 傳感器供電。當(dāng)VOUT 達(dá)到其穩(wěn)定值的 93% 時(shí)，PGOOD 輸出將向微處理器發(fā)出指示信號(hào)。為了在輸入電壓不存在時(shí)保持運(yùn)作，在后臺(tái)從 VSTORE 引腳給 0.1F 存儲(chǔ)電容器充電。這個(gè)電容器可以一路充電至高達(dá) VAUX 并聯(lián)穩(wěn)壓器的 5.25V 箝位電壓。如果失去了輸入電壓電源，那么就自動(dòng)地由存儲(chǔ)電容器提供能量，以給該 IC 供電，并保持 VLDO 和 VOUT 的穩(wěn)定。

在本例中，根據(jù)下面的公式來(lái)確定 COUT 存儲(chǔ)電容器的大小，以在 10ms 的持續(xù)時(shí)間內(nèi)支持15mA 的總負(fù)載脈沖，從而在負(fù)載脈沖期間允許 VOUT 有 0.33V 的下降。請(qǐng)注意，IPULSE 包括 VLDO 和 VOUT2 以及 VOUT 上的負(fù)載，但可用的充電電流未包括在內(nèi)，因?yàn)榕c負(fù)載相比，它可能非常小。

COUT(μF) = IPULSE (mA) ? tPULSE (ms