超低电压能量收集器采用热电发生器为无电池无线传

图 9：LTC3108 输出功率与具有不同 V 和 I 乘积的 TEG 关系曲线

图 10 示出了一个边长 30mm 的方形 TEG 在 1ºC 至 20ºC 的 ΔT 范围内输出电压及最大输出功率能力。在该 ΔT 范围内，输出功率从几百 μW 到几十 mW 不等。需要指出的是：该功率曲线是在假设拥有理想的负载匹配且无转换损耗的情况下得出的。最后，在利用 LTC3108 提升至一个较高电压之后可获得的输出功率将由于功率转换损耗的原因而低于图中示出的数值。LTC3108 的产品手册中给出了几幅在多种不同工作条件下可提供输出功率的曲线图。

图 10：典型 TEG 的开路电压及最大功率输出

就给定应用而言，所需要的 TEG 尺寸取决于可用的最小 ΔT、负载所需的最大平均功率、以及用于将 TEG 的一端保持于环境温度的散热器的热阻。LTC3108 的最大功率输出位于 15µW/K-cm² 至 30µW/K-cm² 之间，具体数值取决于所选择的变压器匝数比和特定的 TEG。表1 罗列了一些推荐使用的 TEG 器件型号。

表1 :推荐使用的 TEG器件

需要考虑的热量问题
当把一个 TEG 置于两个处于不同温度的面之间时，在加入 TEG 之前的“开路”温差高于 TEG 放置到位时其上的温差。这是由于 TEG 本身在其陶瓷板之间具有一个相当低的热阻 (通常为 1ºC/W 至 10ºC/W) 所致。

考虑如下的例子，一部大型机器在周围环境温度为 25ºC 以及表面温度为 35ºC 的情况下工作。当将一个 TEG 连接到这台机器时，必须同时在 TEG 温度较低 (环境温度) 的一端加上一个散热器，否则整个 TEG 将升温至接近 35ºC，从而消除掉所有的温差。需要牢记一点：电输出功率正是产生自流过 TEG 的热量。

在该例中，散热器和 TEG 的热阻确定了总温差 (ΔT) 的哪一部分存在于 TEG 的两端。该系统的简单热模型示于图 11。假定热源 (RS) 的热阻可忽略不计，如果 TEG 的热阻 (R_TEG) 为 2ºC/W，散热器的热阻为 8ºC/W，那么落在 TEG 上的 ΔT 仅为 2ºC。在 TEG 上的温度只有区区几 ºC 的情况下，其输出电压很低，此时 LTC3108 能够依靠超低输入电压工作的重要性就凸显出来了。

图 11：TEG 和散热器的热阻模型

请注意：由于较大的 TEG 其表面积增大了，所以大型 TEG 通常比小型 TEG 热阻低。因此，在那些于 TEG 的一端采用了一个较小散热器的应用中，较大的 TEG 上的 ΔT 有可能小于较小的 TEG，故而未必会提供更多的输出功率。无论在何种情况下，都应采用具有尽可能低热阻的散热器，以通过最大限度地提高 TEG 上的温度差来实现电输出的最大化。

选择最佳的变压器匝数比
对于那些可提供较高温度差 (即较高的输入电压) 的应用，可以采用一个匝数比较低 (例如：1:50 或 1:20) 的变压器以提供较高的输出电流能力。作为经验法则，假如最小输入电压在加载时至少为 50mV，则建议采用 1:50 的匝数比。倘若最小输入电压至少为 150mV，那么就建议使用 1:20 的匝数比。文中讨论的所有匝数比在市面上均有现成可售的 Coilcraft 器件 (包括特定器件型号在内的更多信息请查阅 LTC3108 的产品手册)。图 12 中的曲线示出了在采用两种不同的变压器升压比及两种不同尺寸的 TEG 时，LTC3108 在某一温度差范围内的输出功率能力。

图 12：对于两种 TEG 尺寸及两种变压器匝数比的 LTC3108 输出功率
与 T 的关系曲线 (V_OUT = 5V)

脉冲负载应用
由 TEG 供电的典型无线传感器应用如图 13 所示。在这个例子中，TEG 上至少有 2ºC 的温差可用，因此选择 1:50 的变压器升压比，以在 2ºC 至 10ºC ΔT 的范围内实现最高的输出功率。当采用图示的 TEG (边长 40mm 的方形器件，具有 1.25Ω 的电阻) 时，该电路能够依靠低至 2ºC 的温差启动并对 V_OUT 电容器进行充电。请注意，在转换器的输入端上跨接了一个大容量的去耦电容器。在输入电压与 TEG 之间提供良好的去耦可最大限度地减小输入纹波、提升输出功率能力并在尽可能低的ΔT 条件下启动。

图 13：由一个 TEG 来供电的无线传感器应用

在图 13 所示的例子中，2.2V LDO 输出负责给微处理器供电，而 V_OUT 利用VS1 和 VS2 引脚设置为 3.3V，以给 RF 发送器供电。开关 V_OUT (V_OUT2) 由微处理器控制，以仅在需要时给 3.3V 传感器供电。当V_OUT 达到其稳定值的 93% 时，PGOOD 输出将向微处理器发出指示信号。为了在输入电压不存在时保持运作，在后台从 V_STORE 引脚给 0.1F 存储电容器充电。这个电容器可以一路充电至高达 V_AUX 并联稳压器的 5.25V 箝位电压。如果失去了输入电压电源，那么就自动地由存储电容器提供能量，以给该 IC 供电，并保持 V_LDO 和 V_OUT 的稳定。

在本例中，根据下面的公式来确定 COUT 存储电容器的大小，以在 10ms 的持续时间内支持15mA 的总负载脉冲，从而在负载脉冲期间允许 V_OUT 有 0.33V 的下降。请注意，I_PULSE 包括 V_LDO 和 V_OUT2 以及 V_OUT 上的负载，但可用的充电电流未包括在内，因为与负载相比，它可能非常小。

C_OUT(μF) = I_PULSE (mA) • t_PULSE (ms) / dV_OUT

考虑到这些要求，C_OUT 至少须为 454μF，因此选择了一个 470μF 的电容器。

采用所示的 TEG，在 ΔT 为 5ºC 时工作，那么 LTC3108 在 3.3V 时可提供的平均充电电流约为 560μA。利用这些数据，我们可以计算出，首次给 V_OUT 存储电容器充电需要花多长时间，以及该电路能以多大的频度发送脉冲。假定在充电阶段中 V_LDO 和 V_OUT 上的负载非常小 (相对于 560μA)，那么 V_OUT 最初的充电时间为：

t_CHARGE = 470μF • 3.3V / 560μA = 2.77s

假定发送脉冲之间的负载电流非常小，那么一种简单估计最大容许发送速率的方法是用可从 LTC3108 获得的平均输出功率 (在本例情况下为 3.3V • 560μA = 1.85mW) 除以脉冲期间所需的功率 (在本例情况下为 3.3V • 15mA = 49.5mW)。收集器能够支持的最大占空比为 1.85mW / 49.5mW = 0.037 或 3.7%。因此最大脉冲发送速率为 0.01 / 0.037 = 0.27s 或约为 3.7Hz。

请注意，如果平均负载电流 (如发送速率所决定的那样) 是收集器所能支持的最大电流，那么将没有剩余的收集能量用于给存储电容器充电 (如果需要存储能力的话)。因此，在这个例子中，发送速率设定为 2Hz，从而留出几乎一半的可用能量给存储电容器充电。在该场合中，VSTORE 电容器提供的存储时间利用以下公式来计算：

t_STORE = 0.1F • (5.25V - 3.3V) / (6μA + 15mA • 0.01 / 0.5) = 637s

上述计算包括 LTC3108 所需的6μA静态电流，而且假定发送脉冲之间的负载极小。在此场合中，一旦存储电容器达到满充电状态，它就能以 2Hz 的发送速率支持负载达 637s 的时间，或支持总共 1274 个发送脉冲。