超低压转换器推动热电源能量收集的发展

启动，而无论电压是哪种极性。变压器副端绕组向充电泵和整流电路馈送电压，以给该 IC 供电 （通过 VAUX 引脚），并给输出电容器充电。2.2V LDO 输出设计为首先稳定，以尽快给低功率微处理器供电。之后，主输出电容器被充电至通过 VS1 和 VS2 引脚设定的电压 （2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V），以给传感器、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时，VOUT 存储电容器在低占空比负载脉冲期间提供突发能量。另外，还提供开关输出 （VOUT2），以给没有停机或低功率休眠模式的电路供电，该开关输出很容易通过主器件控制。还包括一个电源良好输出以提醒主器件，主输出电压接近其稳定值了。图 2 显示了 LTC3109 的电路原理图。

　　图 2：适用于单极性输入工作方式的 LTC3109 原理图

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

　　TEG （热电发生器）：±30mV 至 ±500mV

　　OPTIONAL SWITCHED OUTPUT FOR SENSORS：用于传感器的可选开关输出

　　LOW POWER RADIO：低功率射频

　　SENSOR （S）：传感器

　　一旦 VOUT 充电到稳定状态，那么收集的电流就转而进入 VSTORE 引脚，以给可选的大型存储电容器或可再充电电池充电。如果能量收集电源处于间歇状态，那么这种存储单元可用来保持稳定或给系统供电。VAUX 引脚上的并联稳压器防止 VSTORE 充电至高于 5.3V。运用一个典型的 40mm2 TEG，LTC3109 可以用低至 2°C 的 ?T 工作，从而使该器件适用于种类繁多的能量收集应用。较大的 ?T 使 LTC3109 能提供更大的平均输出电流。该转换器的输出电流随 VIN 变化的曲线如图 3 所示，这条曲线说明 LTC3109 用任一极性的输入电压都能同样良好地发挥作用。

　　图 3：LTC3109 输出电流随输入电压的变化

　　TRANSFORMERS：变压器

　　热电发生器

　　热电发生器 （TEG） 其实就是热电模块，它利用塞贝克 （Seebeck） 效应将设备上的温差 （以及由于温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 的典型机械构造

　　CERAMIC SUBSTRATE：陶瓷基板

　　NEGATIVE -：负 （-）

　　CONDUCTOR TABS：导体接片

　　POSITIVE （+）：正 （+）

　　N-TYPE SEMICONDUCTOR PELLETS：N 型半导体芯片

　　P-TYPE SEMICONDUCTOR PELLETS：P 型半导体芯片

　　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 125°C） 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。其输出电压为每 K 温差 10mV 至 50mV （取决于电偶的数目），并具有 0.5Ω 至 10Ω 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，增加电偶的数目同时也将增加 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一个较高的输出电压。在选择 TEG 并使其与散热器相匹配的过程中，TEG 的热阻是另一个需要考虑的因素。

　　负载匹配

　　为了从任何电压源抽取最大功率，负载阻抗必须与电源的内阻匹配。图 5 所示的例子说明了这一点，在该例中，开路电压为 100mV、电源阻抗为 1? 或 3? 的电压源驱动一个负载电阻器。

　　图 5：电压电源驱动阻性负载的简化原理图

　　LOAD OR POWER CONVERTER：负载或电源转换器

　　图 6 显示了提供给负载的功率，该功率是负载电阻的函数。在每条曲线中都可以看到，当负载电阻与电源电阻匹配时，提供给负载的功率最大。

　　图 6：电源的输出功率是负载电阻的函数

LTC3109 对输入电源呈现出 2