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超低电压能量收集器采用热电发生器为无电池无线传感器供电

作者:时间:2011-08-15来源:网络收藏

测量和控制所需的超低功率节点的激增,再加上新型能量收集技术的运用,使得由局部环境能量而非电池供电的全自主型系统成为可能。利用环境或“免费”能量来为节点供电是富有吸引力的,因为它能够对电池或导线供电提供补充、甚至完全无需使用电池或供电导线。当更换或检修电池存在不便、费用昂贵或危险之时,这显然是一大优势。

而且,完全取消供电导线还使大规模扩展监视与控制系统变得轻而易举。能量收集系统简化了众多领域中的安装和维护工作,例如:楼宇自动化、无线 / 自动化仪表计量和前瞻性维护,以及诸多其他的工业、军事、汽车和消费类应用。

能量收集的好处是显而易见的,不过,有效的能量收集系统需要使用智能型的电源管理方案,以把微弱的免费能量转换为一种无线传感器系统可以使用的形式。

归根到底是占空比的问题
许多无线传感器系统的平均功率消耗非常之低,从而使其成为可利用能量收集技术进行供电的主要候选对象。很多传感器节点用于监视缓慢变化的物理量。所以可以不经常进行测量,也不需要经常发送测量数据,因此传感器节点是以非常低的占空比工作的。相应地,平均功率需求也很低。

例如:若一个传感器系统处于唤醒状态时的需要 3.3V/30mA (100mW) 的功率,但在每秒时间里只运行 10ms,那么其所需的平均功率仅为 1mW,假定在传送突发的间隔期间不工作时,传感器系统电流降至数 μA。倘若这个无线传感器只是每分钟 (而不是每秒钟) 进行一次采样和传送,则平均功率将骤降至 20μW 以下。由于大多数形式的能量收集均提供非常小的稳态功率 (通常只有几 mW,有时甚至仅几 μW),因此这种功率需求量的差异是很重要的。应用所需的平均功率越低,就越有可能采用收集能量来供电。

能量收集源
可供收集的最常见能量源是振动 (或运动)、光和热。用于所有这些能量源的换能器都具有以下的共同特性:

•它们的电输出未经稳压且不适合直接用于给电子电路供电
 •它们可能无法提供一个连续和不间断的电源
 •它们往往只产生非常低的平均输出功率 (通常在 10μW 至 10mW)

如果想把此类能量源用于给无线传感器或其他电子线路供电,就必需针对上述特性进行明智而审慎的电源管理。

电源管理:迄今为止在能量收集中仍然缺失的一环
由收集能量供电的典型无线传感器系统可分解为 5 个基本构件,如图 1 所示。除了电源管理构件之外,所有这些构件成都已经用了有一段时间。比如:运行功率仅数 μW 的微处理器以及功耗同样非常之低、具成本效益的小型射频 (RF) 发送器和收发器已被广泛使用。低功率的模拟和数字传感器也是无处不在。

图 1:典型的无线传感器方框图

在实现这种能量收集系统链路时,缺失的一环始终是可以靠一个或多个常见免费能源工作的功率转换器 / 电源管理构件。能量收集的理想电源管理解决方案应具有小巧和易用的特点,在依靠由常见的能量收集源产生的异常高或低电压工作时良好地运行,并在理想的情况下提供与源阻抗的上佳负载匹配以实现最优的功率传输。电源管理器本身在管理累积能量时所需消耗的电流必须非常小,且应在使用极少分立组件的情况下产生稳定的输出电压。

采用 3mm x 4mm x 0.75mm 12 引脚 DFN 封装或 16 引脚 SSOP 封装的LTC3108 解决了超低输入电压应用的能量收集问题。该器件提供了一款紧凑、简单和高度集成的单片式电源管理解决方案,能在输入电压低至 20mV 的情况下正常运作。凭借这种独特的能力,LTC3108 可利用一个 (TEG) 来为无线传感器供电,并从小至 1ºC 的温度差 (ΔT) 收集能量。采用一个现成有售的小型 (6mm x 6mm) 升压变压器和少量的低成本电容器,该器件即可提供用于给当今的无线传感器电子线路供电所需的稳定输出电压。

LTC3108 采用一个小的升压型变压器和一个内部 MOSFET 形成一个谐振振荡器,可依靠非常低的输入电压来工作。变压器的升压比为 1:100 时,该转换器能以低至 20mV 的输入电压启动。变压器的副端绕组向充电泵和整流器电路馈送电压,此电压随后用于给该 IC 供电 (通过 VAUX 引脚),并给输出电容器充电。2.2V LDO的输出设计成首先进入稳定状态,以尽快给一个低功率微处理器供电。然后,将主输出电容器充电至由 VS1 和 VS2 引脚设置的电压 (2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V),用于给传感器、模拟电路、 RF 收发器供电,甚至给超级电容器或电池充电。当无线传感器工作并发送数据因而出现低占空比负载脉冲时,VOUT存储电容器提供所需的突发能量。另外还提供了一个可由主机轻松加以控制的开关输出 (VOUT2),以给不具备停机或低功率睡眠模式的电路供电。该器件具有一个电源良好输出,用于在主输出电压接近其稳定值时向主机发出警示信号。图 2 示出了 LTC3108 的方框图。LTC3108-1版本的器件除了提供一组不同的可选输出电压 (2.5V、3.0V、3.7V 或 4.5V) 以外,其他则与 LTC3108 完全相同。

图 2:LTC3108 的方框图

一旦VOUT 充电并进入稳定状态,那么所收集的电流就被导向 VSTORE 引脚,以给一个可任选的大型存储电容器或可再充电电池充电。如果能量收集电源是间歇性的,那么这个存储元件就可用来保持稳压状态并给系统供电。上电及断电期间的输出电压排序可见于图 3。VAUX 引脚上的一个并联稳压器可防止VSTORE 被充电至 5.3V 以上。


图 3:上电及断电期间的电压排序

采用一个边长 40mm 的标准方形 TEG,LTC3108 能依靠低至 1ºC 的 ΔT 来工作,从而使其适用于众多的能量收集应用。在ΔT 较高的情况下,LTC3108 将能够提供一个较高的平均输出电流。

的基本原理
(TEG) 其实就是热电模块,它利用塞贝克 (Seebeck) 效应将设备上的温度差 (以及由于温度差所导致的流过设备的热量) 转换为电压。这一现象的逆过程 (被称为帕尔帖 [Peltier] 效应) 则是通过施加电压而产生温度差,并为热电冷却器 (TEC) 所惯用。输出电压的极性取决于 TEG 两端温度差的极性。如果 TEG 的热端和冷端掉换过来,那么输出电压就将改变极性。

TEG 由采用电串联连接并夹在两块导热陶瓷板之间的N型掺杂和P型掺杂半导体芯片对或偶所构成。最常用的半导体材料是碲化铋 (Bi2Te3)。图 4 示出了 TEG 的机械构造。

图 4:TEG 的构造

有些制造商将 TEG 与 TEC 区分开来。当作为 TEG 销售时,通常意味着用于装配模块内部电偶的焊料具有较高的熔点,故可在较高的温度和温差条件下工作,因而能够提供高于标准 TEC (其最大温度通常限制在 125ºC) 的输出功率。大多数低功率能量收集应用不会遇到高温或高温差的情况。

TEG 的尺寸和电气规格多种多样。大多数常见的模块都是方形的,每边的长度从10mm到50mm不等,厚度一般为2mm ~ 5mm。

对于一个给定的 ΔT (与塞贝克系数成比例),TEG 将产生多大的电压受控于诸多的变量。其输出电压为 10mV/K 至 50mV/K 温差 (取决于电偶的数目),并具有 0.5Ω 至 5Ω 的源电阻。一般而言,对于给定的 ΔT,TEG 所拥有的串联电偶越多,其输出电压就越高。然而,增加电偶的数目也会增加 TEG 的串联电阻,从而导致在加载时产生较大的压降。制造商可以通过调整个别半导体芯片的尺寸和设计对此进行补偿,以在保持低电阻的同时仍然提供较高的输出电压。

负载匹配
为了从任意电压电源吸取可获得的最大功率,负载电阻必须与电源的内阻相匹配。图 5 中的实例说明了这一点,此处,一个具有 100mV 开路电压和 1Ω 或 3Ω 源电阻的电压电源用于驱动一个负载电阻器。图 6 示出了输送至负载的功率与负载电阻的函数关系。在每一根曲线中

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