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

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。

热电发生器的基本原理
热电发生器 (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。在每一根曲线中都可以看出：当负载电阻与源电阻匹配时，输送至负载的功率达到最大。不过，当源电阻低于负载电阻时，输送的功率也许并非可能的最大值，而是比一个较高的源电阻驱动一个匹配负载时 (本例中为 0.8mW) 更高 (本例中为 1.9mW)，注意到这一点同样很重要。选择具有最低电阻的 TEG 可提供最大输出功率的原因即在于此。

图 5：电压电源驱动阻性负载的简化原理图

图 6：电源的输出功率与负载电阻的函数关系

LTC3108 给输入电源提供了一个约 2.5Ω 的最小输入电阻。(请注意：这是转换器而不是 IC 本身的输入电阻。) 这处于大多数 TEG 源电阻范围的中间，从而为实现近乎最佳的功率传输提供了优良的负载匹配。LTC3108 的设计是：当 VIN 下降时，输入电阻增大 (如图 7 所示)。该特性令 LTC3108 能够很好地适应具有不同源电阻的 TEG。

图 7：LTC3108 的输入电阻与 VIN 的关系曲线 (采用 1:100 匝数比)

由于转换器的输入电阻相当低，因此无论负载大小如何它都将从电源吸收电流。以图 8 所示为例：当采用一个 100mV 输入时，转换器从电源吸收约 37mA 的电流。不可把该输入电流误当作 IC 本身所需的为其内部电路供电的 6μA 静态电流 (取自 VAUX)。当在极低电压条件下启动或依靠一个存储电容器来工作时，低静态电流的意义最为重大。

图 8：LTC3108 的输入电流与 VIN 的关系曲线 (采用 1:100 匝数比)

选择用于发电的 TEG
大多数热电模块制造商均未提供有关输出电压或输出功率与温差之间关系的数据，而这恰恰是热能收集器设计人员所希望了解的。始终提供的两个参数是 VMAX 和 IMAX，即某个特定模块的最大工作电压和最大工作电流 (当在某种加热 / 冷却应用中处于驱动状态时)。