超低壓轉換器推動熱電源能量收集的發展

　　背景

　　用于測量和控制用途的超低功率無線傳感器節點在大量增加，這種情況與新的能量收集技術相結合，已經使得有可能產生完全自主運行的系統，即由周圍環境中的能源而不是電池供電的系統。用周圍環境中的能源或“免費”能源給無線傳感器節點供電這種方法很有吸引力，因為這種方法可以對電池電源起到補充作用，或者完全不再需要電池或導線。當更換電池或電池維護不方便、昂貴或危險時，這種方法具有顯然的優勢。

　　完全不用導線還使得很容易大規模擴展監視和控制系統。能量收集無線傳感器系統在多種多樣的領域簡化了安裝和維護，例如樓宇自動化、無線 / 自動計量和預測性維護、以及其他無數的工業、軍事、汽車和消費類應用。能量收集的好處很明顯，但是有效的能量收集系統需要一種聰明的電源管理方法，以將極其微量的免費能源轉換成無線傳感器系統可用的形式。

　　一切都歸結為占空比問題

　　很多無線傳感器系統都消耗非常低的平均功率，因此成為了用能量收集方法供電的首選系統。很多傳感器節點都用來監視變化緩慢的物理量。因此，不用經常進行測量和發送測量結果，這使得系統以很低的占空比運行，相應地，平均功率需求也很低。例如，如果一個傳感器系統在喚醒時需要 3.3V/30mA (100mW)，但每秒鐘僅有 10ms 處于工作狀態，那么假定在發送突發數據中間的非工作狀態，傳感器系統的電流降至幾微安，則所需的平均功率僅為 1mW。如果同樣的無線傳感器每分鐘、而不是每秒鐘僅采樣和發送一次，那么平均功率就會降至不到 20µW。這種差別非常重要，因為大多數能量收集方法提供的穩定狀態功率都非常低，通常不高于幾毫瓦，在有些情況下僅為幾微瓦。應用所需的平均功率越低，就越有可能用收集的能量供電。

　　能量收集來源

　　最常見的可收集能源是振動 (或運動)、光和熱。所有這些能源的換能器都有 3 個共同特點：

　　1. 電輸出是不穩定的，不適合直接用來給電子電路供電

　　2. 也許不能提供連續的、不間斷的電源

　　3. 一般產生非常低的平均輸出功率，通常在 10µW 至 10mW 范圍

　　如果要用這些能量源來給無線傳感器或其他電子產品供電，那么面向上述特點要求，就要進行審慎的電源管理。

　　電源管理：能量收集中缺少的環節

　　由收集能量供電的典型無線傳感器系統可以劃分成 5 個基本組成部分，如圖 1 所示。除了電源管理部分，其他所有部分通常都面市有一段時間了。例如，以毫瓦功率運行的微處理器、小型和經濟實惠的 RF 發送器、以及消耗非常低功率的收發器都可以廣泛地得到。低功率模擬和數字傳感器也是無處不在。

　　圖 1：典型無線傳感器系統配置

　　SENSORS：傳感器

　　ENERGY SOURCE (SOLAR, PEIZO, TEG, ETC.)：能源 (太陽能、壓電器件、熱電發生器等)

　　POWER/ENERGY MANAGEMENT：功率 / 能量管理

　　uPROCESSOR：微處理器

　　RF LINK：RF 鏈路

　　在實現這種能量收集系統鏈路時，缺失的一環始終是可以依靠一個或多個常見免費能源工作的功率轉換器 / 電源管理構件。能量收集的理想電源管理解決方案應具有小巧、易用的特點，在采用由常見的能量收集源產生的異常高或低電壓工作時良好地運行，并在理想的情況下提供與源阻抗的上佳負載匹配以實現最優的功率傳輸。電源管理器本身在管理累積能量時所需消耗的電流必須非常小，且應在使用極少分立組件的情況下產生穩定的輸出電壓。

　　有些應用 (例如: 無線 HVAC 傳感器或地熱供電的傳感器) 給能量收集電源轉換器造成了另一種獨特的挑戰。這類應用要求能量收集電源管理器不僅能用非常低的輸入電壓工作，而且能隨著熱電發生器 (TEG) ?T 極性的變化，用任一極性的電壓工作。這是一個非常具有挑戰性的問題，在數十或數百毫伏電壓情況下，二極管橋型整流器不是一個可行的選擇。

　　LTC3109 采用 4mm x 4mm x 0.75mm 20 引腳 QFN 或 20 引腳 SSOP 封裝，解決了任一極性超低輸入電壓源的能量收集問題。該器件能以低至 ±30mV 的輸入電壓工作，提供了緊湊、簡單、高度集成的單片電源管理解決方案。這種獨特能力使該器件能用 TEG 給無線傳感器供電，而 TEG 可從低至 2°C 的溫度差 (?T) 中收集能量。運用兩個小型 (6mm x 6mm) 現成有售的降壓型變壓器和少數低成本電容器，該器件就可提供為今天的無線傳感器電子產品供電所必需的穩定輸出電壓。

　　LTC3109 運用這些降壓型變壓器和內部 MOSFET 形成一個諧振振蕩器，該振蕩器能用非常低的輸入電壓工作。運用 1:100 的變壓比，該轉換器能以低至 30mV 的輸入啟動，而無論電壓是哪種極性。變壓器副端繞組向充電泵和整流電路饋送電壓，以給該 IC 供電 (通過 VAUX 引腳)，并給輸出電容器充電。2.2V LDO 輸出設計為首先穩定，以盡快給低功率微處理器供電。之后，主輸出電容器被充電至通過 VS1 和 VS2 引腳設定的電壓 (2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V)，以給傳感器、模擬電路、RF 收發器供電，甚至給超級電容器或電池充電。當無線傳感器工作并發送數據時，VOUT 存儲電容器在低占空比負載脈沖期間提供突發能量。另外，還提供開關輸出 (VOUT2)，以給沒有停機或低功率休眠模式的電路供電，該開關輸出很容易通過主器件控制。還包括一個電源良好輸出以提醒主器件，主輸出電壓接近其穩定值了。圖 2 顯示了 LTC3109 的電路原理圖。

　　圖 2：適用于單極性輸入工作方式的 LTC3109 原理圖

　　TEG (THERMOELECTRIC GENERATOR) ±30mV TO ±500mV

　　TEG (熱電發生器)：±30mV 至 ±500mV

　　OPTIONAL SWITCHED OUTPUT FOR SENSORS：用于傳感器的可選開關輸出

　　LOW POWER RADIO：低功率射頻

　　SENSOR (S)：傳感器