设计切实可行的压电能和热能收集方案需考虑的因素

Li-Ion Battery：锂离子电池
System load：系统负载

热能收集

最近推出的 LTC3109 是一种超低电压升压型转换器和电源管理器，是专门为极大地简化从热电发生器 (TEG) 等极低的双极性输入电压源收集和管理多余能量而设计的。其升压型拓扑靠低至 30mV 的输入电压工作。这非常重要，因为它允许 LTC3109 在低至 1?C 的温差时从 TEG 收集能量，这是分立式解决方案难以做到的事情，因为分立式解决方案的静态电流较高。

图 7 所示电路用一个小型升压型变压器升高 LTC3109 输入电压源的电压，然后该器件为无线检测和数据采集提供一个完整的电源管理解决方案。LTC3109 可以收集小的温差并产生系统电源，从而无需使用传统的电池电源。

图 7：用于无线传感器节点应用的 LTC3109，该应用由 TEG (Peltier Cell) 供电

TEG (THERMOELECTRIC GENERATOR)：TEG (热电发生器)
OPTIONAL SWITCHED OUTPUT FOR SENSORS：用于传感器的可选开关输出
LOW POWER RADIO：低功率无线单元
SENSOR(S)：传感器

利用一个外部升压型变压器和一个小型耦合电容器，LTC3109 用两个耗尽型 N 沟道 MOSFET 构成一个共振升压型振荡器。这允许该器件将低至 ±30mV 的输入电压升高到足够高，以提供多个稳定输出电压来为其它电路供电。振荡频率主要由变压器副端绕组的电感和 LTC3109 的输入电容决定。所产生的共振频率的典型值为 10kHz 至 100kHz。

就低至 ±30mV 的输入电压而言，建议使用约为 1:100 的主-副端匝数比。就较高的输入电压而言，可使用更低的匝数比，以提供更高的输出功率。这些变压器是标准和现成有售的组件，非常容易从磁性组件供应商那里得到。

LTC3109 采用一种"系统级"方法解决复杂问题。它可以从低压电源启动并管理多个输出之间的能量分配。

用一个外部充电泵电容器 (从副端绕组至引脚 C1A 或 C1B) 和 LTC3109 内部的整流器对变压器副端绕组上产生的 AC 电压升压和整流。该整流器电路将电流馈送进 VAUX 引脚，从而给外部 VAUX 电容器、然后是其它输出供电。

内部 2.2V LDO 可以支持低功率处理器或其它低功率 IC。该 LDO 由 VAUX 或 VOUT 之中电压较高的一个供电。这使它能在 VAUX 一充电到 2.3V 就投入运行，而 VOUT 存储电容器仍然在充电。当在 LDO 输出端出现阶跃负载，那么如果 VAUX 降至低于 VOUT，电流就可以来自主 VOUT 电容器。LDO 输出可以提供高达 5mA 的电流。

VOUT 上的主输出电压靠 VAUX 电源充电，可由用户利用电压选择引脚 VS1 和 VS2 编程至 4 个稳定电压之一。这 4 个固定输出电压是：用于超级电容器的 2.35V；用于标准电容器和 RF 或传感器电路的 3.3V；用于锂离子电池终止的 4.1V；用于较高能量存储和主系统轨以给无线发送器或传感器供电的 5V，这样就无需数 MΩ 的外部电阻器了。结果，LTC3109 不需要特殊的电路板涂层来最大限度地减少泄漏，而在分立式设计中，就需要电阻值非常大的电阻器。

第二个输出 VOUT2 可以由主微处理器运用 VOUT2_EN 引脚来接通和断开。当启动时，VOUT2 通过一个 P 沟道 MOSFET 开关连接到 Vout。该输出可用来给没有低功率休眠或停机功能的传感器或放大器等外部电路供电。

VSTORE 电容器可能具有非常大的电容值 (数千 uF 甚或数 F)，以在输入电源掉电时提供保持功能。一旦加电完成，主 (Main)、备份 (Backup)和开关输出就都可用了。如果输入电源出故障，那么靠 VSTORE 电容器，运行仍然可以继续。VOUT 达到稳定以后，VSTORE 可用来给大型存储电容器或可再充电电池充电。一旦 VOUT 达到稳定，VSTORE 输出就允许充电至高达 VAUX 电压，而 VAUX 电压箝位在 5.3V。如果输入电源掉电，那么 VSTORE 端的存储组件可用来给系统供电，不仅如此，如果输入电源没有充足的能量，那么该存储组件还可用来补充 VOUT、VOUT2 和 LDO 输出需要的电流。

电源良好比较器监视 VOUT 电压。一旦 VOUT 充电至其稳定电压的 7.5% 以上，那么 PGOOD 输出就变高。如果 VOUT 降至比其稳定电压低 9% 以上，那么 PGOOD 就变低。PGOOD 输出用来驱动一个微处理器或其它芯片 I/O，未打算用其驱动 LED 等较高电流的负载。

结论
由于 LTC3105、LTC3108、LTC3109、LTC3588、LT3652、LTC4070 和 LTC4071 等面向能量收集市场的高性能集成电路的上市，该市场开始快速发展。这些新的集成电路使得亳微功率设计既可能又可靠。为了使压电和 TEG 能量收集市场更快速地发展，传感器厂商们将需要提供有关他们产品的数据，而这些数据过去是不需要的，就各种不同的 Tip Mass 而言，系统设计师需要从压电器件制造商那里得到开路电压随加速度变化的信息，还需要知道在相同的振动条件下相关的压电器件的源阻抗。这些图以及电源管理电路的 UVLO 上升门限将用来决定 WSN 得以运行的最小振动量。系统设计师需要从 TEG 制造商那里得到开路电压随温差变化的信息以及有关的源电阻。此外，TEG 制造商需要提供 TEG 的热阻和模型，以在系统中 TEG 两侧都有散热器、散热器处于不同的环境温度、以及有和没有空气流动时，使用户能计算实际温差。能量收集应用有可能应用到所有地方，而且将电池寿命延长到产品的可用寿命有可能是这种新技术带来的第一个真正益处。在有些应用中，电池可以完全去除，这对环境和最终用户而言具有极大的好处。