超低電壓能量收集器采用熱電發(fā)生器為無電池?zé)o線傳感器供電

考慮到這些要求，COUT 至少須為 454μF，因此選擇了一個 470μF 的電容器。

采用所示的 TEG，在 ΔT 為 5oC 時工作，那么 LTC3108 在 3.3V 時可提供的平均充電電流約為 560μA。利用這些數(shù)據(jù)，我們可以計算出，首次給 VOUT 存儲電容器充電需要花多長時間，以及該電路能以多大的頻度發(fā)送脈沖。假定在充電階段中 VLDO 和 VOUT 上的負(fù)載非常小 (相對于 560μA)，那么 VOUT 最初的充電時間為：

tCHARGE = 470μF ? 3.3V / 560μA = 2.77s

假定發(fā)送脈沖之間的負(fù)載電流非常小，那么一種簡單估計最大容許發(fā)送速率的方法是用可從 LTC3108 獲得的平均輸出功率 (在本例情況下為 3.3V ? 560μA = 1.85mW) 除以脈沖期間所需的功率 (在本例情況下為 3.3V ? 15mA = 49.5mW)。收集器能夠支持的最大占空比為 1.85mW / 49.5mW = 0.037 或 3.7%。因此最大脈沖發(fā)送速率為 0.01 / 0.037 = 0.27s 或約為 3.7Hz。

請注意，如果平均負(fù)載電流 (如發(fā)送速率所決定的那樣) 是收集器所能支持的最大電流，那么將沒有剩余的收集能量用于給存儲電容器充電 (如果需要存儲能力的話)。因此，在這個例子中，發(fā)送速率設(shè)定為 2Hz，從而留出幾乎一半的可用能量給存儲電容器充電。在該場合中，VSTORE 電容器提供的存儲時間利用以下公式來計算：

tSTORE = 0.1F ? (5.25V - 3.3V) / (6μA + 15mA ? 0.01 / 0.5) = 637s

上述計算包括 LTC3108 所需的6μA靜態(tài)電流，而且假定發(fā)送脈沖之間的負(fù)載極小。在此場合中，一旦存儲電容器達(dá)到滿充電狀態(tài)，它就能以 2Hz 的發(fā)送速率支持負(fù)載達(dá) 637s 的時間，或支持總共 1274 個發(fā)送脈沖。

利用后備電池的超低功率應(yīng)用
有些應(yīng)用或許沒有脈沖負(fù)載，但卻可能需要連續(xù)工作。傳統(tǒng)上，此類應(yīng)用由一個小型主電池 (比如：3V幣形鋰電池) 來供電。假如功率需求足夠低，那么這些應(yīng)用就能夠利用熱能收集來連續(xù)供電，或者可以借助熱能收集來極大地延長電池的使用壽命，從而降低維護(hù)成本。

圖 14 示出了一種利用后備電池來驅(qū)動一個連續(xù)負(fù)載的能量收集應(yīng)用。在該例中，所有的電子線路均全部由 2.2V LDO 輸出來供電，且總電流消耗小于 200μA，只要 TEG 上至少存在 3oC 的溫度差，LTC3108 就能連續(xù)地給負(fù)載供電。在這些條件下，電池上沒有負(fù)載。當(dāng)可用的收集能量不夠時，3V鋰電池將無縫地“接管”并給負(fù)載供電。

圖 14：具有后備電池的能量收集器

能量存儲替代方案
對于那些選用可再充電電池來替代主電池以提供備份或能量存儲的應(yīng)用，圖 14 中的二極管可以去掉，并用可再充電的鎳電池或鋰離子電池 (包括新型可再充電薄膜鋰電池) 來替換鋰電池。如果采用的是可再充電的鎳電池，則其自放電電流必須小于 LTC3108 所能供應(yīng)的平均充電電流。如果選用鋰離子電池，則需要增設(shè)額外的電路以保護(hù)其免遭過度充電和過度放電的損壞。另外還有一種存儲替代方案就是具有 5.25V 額定電壓的超級電容器，例如：Cooper-Bussman PB-5ROH104-R。與可再充電電池相比，超級電容器的優(yōu)勢在于擁有更多的充 / 放電次數(shù)，而缺點(diǎn)則是能量密度低得多。

熱量收集應(yīng)用需要自動極性
有些應(yīng)用 (例如：無線 HVAC 傳感器或地?zé)峁╇姷膫鞲衅? 對能量收集功率轉(zhuǎn)換器提出了另一種獨(dú)特的挑戰(zhàn)。此類應(yīng)用要求能量收集電源管理器不僅能夠依靠非常低的輸入電壓來工作，而且能以任一極性工作，因?yàn)?TEG 上的 ?T 的極性可能改變。這是一個特別棘手的難題，而且，在幾十或幾百 mV 的電壓條件下，二極管橋式整流器不是合適的選項(xiàng)。

LTC3109 是唯一適合克服這種從任一極性的能量源收集能量之挑戰(zhàn)的器件。LTC3109 運(yùn)用具 1:100 升壓比的變壓器，能以低至 ±30mV 的輸入電壓工作。LTC3109 與 LTC3108 的功能相同，包括一個 LDO、一個數(shù)字可編程的輸出電壓、一個電源良好輸出、一個開關(guān)輸出和一個能量存儲輸出。LTC3109 采用 4mm x 4mm 20 引腳 QFN 封裝或 20 引腳 SSOP 封裝。圖 15 顯示了 LTC3109 在自動極性應(yīng)用中的一個典型例子。如圖 16 所示，該轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線說明，該器件在任一極性的輸入電壓時，都能同樣良好地工作。

圖 15：自動極性能量收集器供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)

圖 16：圖 15 中轉(zhuǎn)換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線

LTC3109 也可以針對單極性操作進(jìn)行配置，采用單個變壓器 (與 LTC3108 相似) 來適應(yīng)那些需要盡可能低的啟動電壓和盡可能高的輸出電流的應(yīng)用。圖 17 中示出的電路可在僅 15mV 的電壓下啟動，該電壓是采用所示的 TEG 在小于 1oC 的溫差條件下產(chǎn)生的。在10oC 溫差時，它能夠提供穩(wěn)定的 5V 電壓 (在 0.74mA 電流下)，從而可輸送 3.7mW 的已調(diào)穩(wěn)態(tài)輸出功率。在相同的條件下，這幾乎達(dá)到了 LTC3108 輸出功率的兩倍，如圖 18 所示。

圖 17：采用 LTC3108 的單極性轉(zhuǎn)換器能在僅 15mV 的電壓條件下啟動

圖 18：LTC3108 和 LTC3109輸出功率的比較

需要注意：在單極性配置中，LTC3109 對 TEG 呈現(xiàn)出約 1Ω 的負(fù)載電阻，因此應(yīng)選擇一個具有非常低源電阻的 TEG 以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的負(fù)載匹配，否則在單極性配置中使用 LTC3109 將毫無優(yōu)勢可言，這一點(diǎn)很重要。本例中所采用的 TEG 具有 1.0Ω 的標(biāo)稱源電阻，旨在實(shí)現(xiàn)最佳的功率傳輸。

結(jié)論
LTC3108 和 LTC3109 能獨(dú)特地在輸入電壓低至 20mV 時工作，或者以非常低的任一極性電壓工作，提供了簡單和有效的電源管理解決方案，能實(shí)現(xiàn)熱能收集，以利用常見的熱電器件為無線傳感器和其他低功率應(yīng)用供電。這些產(chǎn)品采用 12 引腳 DFN 或 16 引腳 SSOP 封裝 (LTC3108 和 LTC3108-1) 和 20 引腳 QFN 或 SSOP 封裝 (LTC3109)，提供了前所未有的低電壓能力和高集成度，可最大限度地縮減解決方案占板面積。LTC3108、LTC3108-1 和 LTC3109 可與現(xiàn)有的低功率單元式部件實(shí)現(xiàn)無縫連接，以支持自主型無線傳感器并延長關(guān)鍵后備電池應(yīng)用中的電池使用壽命。