超低壓轉換器推動熱電源能量收集的發展

　　LTC3109 對輸入電源呈現出 2.5? 的最小輸入電阻。(請注意，這是轉換器的輸入電阻，而不是該 IC 本身的輸入電阻。) 這一電阻值落在大多數 TEG 電源電阻范圍的中間部份，從而提供了良好的負載匹配，以實現接近最佳的功率傳遞。LTC3109 設計為: 隨著 VIN 下降，輸入電阻增大。這一特點允許 LTC3109 很好地適應具不同源電阻的 TEG。

　　為發電選擇 TEG

　　大多數熱電模塊制造商都不提供輸出電壓或輸出功率隨溫差變化的數據，而這正是熱能收集器設計師想看到的東西。其他一些可能有用的 TEG 參數是電氣 (AC) 電阻和熱阻。制造商也不總是提供這些參數。兩個總是提供的參數是 VMAX 和 IMAX，這是特定模塊 (當受到加熱 / 冷卻應用驅動時) 的最大工作電壓和最大工作電流。VMAX 除以 IMAX 將得到該模塊電阻的近似值。

　　如果有大量熱流可用，那么在 TEG 的一側可以提供充分的散熱，為發電而選擇熱電模塊時，一個良好的經驗法則是，就給定尺寸而言，選擇 (VMAX * IMAX) 之積最大的模塊。這樣選擇以后，一般能提供最高的 TEG 輸出電壓和最低的電源電阻。使用這個經驗法則時，有一點需要提醒的是，散熱器的尺寸必須按照 TEG 的大小確定。為了實現最佳性能，較大的 TEG 需要較大的散熱器。請注意，電阻如果已給定，那么給定的是 AC 電阻，因為利用傳統方法，該電阻無法用 DC 電流測量，DC 電流會產生席貝克電壓，而該電壓又會導致錯誤的電阻讀數。就可用熱流有限和 / 或必須使用較小散熱器的應用而言，最好選擇其熱阻與最大可用散熱器匹配的 TEG 。

　　圖 7 顯示，在 1°C 至 20°C 的 ?T 范圍內，一個 30mm2 的 TEG 之輸出電壓和最大輸出功率。在這一溫差范圍內，輸出功率從數百微瓦變化到數十毫瓦。注意功率曲線假設一個理想負載匹配并且沒有轉換損耗。最終，由 LTC3109 將其升高到更高的電壓后，由于電源轉換損失，可用輸出功率會變小。LTC3109 的數據表針對幾種不同工作條件，提供了幾條可用輸出功率曲線。

　　圖 7：采用一個 30mm2 TEG 時的開路電壓和最大功率耗散

　　OPEN-CIRCUIT：開路

　　MAX, IDEAL：最大值、理想情況

　　127 COUPLES：127 個耦合器

　　就給定應用而言，所需 TEG 的尺寸取決于最小可用 ?T、負載所需的最大平均功率以及用來保持 TEG 一側處于環境溫度的散熱器熱阻。

　　熱考慮

　　當在溫度不同的兩個表面之間放置一個 TEG 時，加入 TEG 之前的“開路”溫差高于放置 TEG 之后 TEG 兩側的溫差。這是因為， TEG 本身的兩個面板之間有相當低的熱阻 (典型值為 1°C/W 至 10°C/W)。

　　例如，考慮以下情況，一個正在運行的大型機器之表面溫度為 35°C，周圍環境溫度為 25°C。將一個 TEG 安裝到該機器上時，必須給該 TEG 溫度較低 (環境溫度) 的一側增加散熱器，否則，整個 TEG 會受熱升高到接近 35°C，從而消除了任何溫度差。請記住，輸出電功率是通過 TEG 的熱流產生的。

　　在這個例子中，散熱器和 TEG 的熱阻決定，在 TEG 兩側總共存在多大的 ?T。該系統的簡單熱模型如圖 8 所示。

　　圖 8： TEG 和散熱器的熱阻模型

　　AMBIENT TEMPERATURE：環境溫度

　　RTHERMAL OF HEATSINK：散熱器的 RTHERMAL

　　RTHERMAL OF TEG： TEG 的 RTHERMAL

　　RTHERMAL OF HEAT SOURCE：熱源的 RTHERMAL

　　HEAT SOURCE：熱源

　　假定熱源的熱阻 (RS) 可以忽略不計，TEG 的熱阻 (RTEG) 為 6°C/W，散熱器的熱阻為 6°C/W，那么 TEG 上產生的 ?T 僅為 5°C。從一個其上僅有幾度溫差的 TEG 僅能產生很低的輸出電壓，這突出顯示了 LTC3109 能用超低輸入電壓工作所具有的重要性。

　　請注意，與較小的 TEG 相比，較大的 TEG 因為表面積較大，所以通常有較低的熱阻。因此，在應用中，若在 TEG 一側使用相對較小的散熱器，那么與較小的 TEG 相比，較大的 TEG 上的 ?T 將較小，因此也許未必提供更大的輸出功率。在任何情況下，使用具最低熱阻的散熱器，都能通過最大限度地增大 TEG 上的溫差，而最大限度地增大電輸出。

　　對于有較大溫差 (即較高的輸入電壓) 可用的應用而言，匝數比較小的變壓器 (例如 1:50 或 1:20) 可用來提供較大的輸出電流。作為一個一般性的規則，在有負載情況下，如果最低輸入電壓至少為 50mV，那么建議使用 1：50 的匝數比。如果最低輸入電壓至少為 150mV，那么建議使用 1：20 的匝數比。

　　具電池備份的超低功率應用

　　有些應用是連續運行的。這類應用傳統上由小型主電池供電 (例如 3V 鋰離子幣形電池)。如果功率需求足夠低，那么這類應用可以靠熱量收集連續供電，或者可以利用熱量收集來極大地延長電池壽命，從而降低維護成本。當所有電子產品消耗的功率低于能量收集電源能提供的功率時，只要 TEG 上存在溫差，LTC3109 能連續給負載供電。在這種情況下，電池上沒有負載。當收集的能量不夠用時，備份電池無縫地加入進來，并給負載供電。

　　結論

　　LTC3109 能獨特地以低至 ±30mV 的輸入電壓工作，提供了一種簡單和高效的電源管理解決方案，該解決方案使得能從常見的熱電器件利用熱能收集給無線傳感器以及其他低功率應用供電。LTC3109 采用 20 引腳 QFN 或 SSOP 封裝，提供前所未有的低壓能力和高集成度，以最大限度地減小解決方案尺寸。LTC3109 與現有低功率基本構件無縫連接，以支持自主工作的無線傳感器，并在關鍵電池備份應用中延長電池壽命。