针对能量收集型无线远程传感器网络的实用电源管理设计

的高输入电流，因此其功率转换常数K 往往要比诸如压电元件等非常高输出电压的换能器更低。由上面的例子可见，所需的平均功率 (Pa) 逐渐接近大小合适的压电换能器的功率范围上限，但处于 TEG 和光伏 (PV) 换能器或太阳能电池的功率能力范围之内。

图 2：典型 TEG

图 3：测量和发送周期中的典型电流脉冲

 
图 4：测量和发送周期中的 VOUT 纹波

系统环境通常将限定所选择的换能器类型。在我们所举的例子中，我们不可能依赖某种始终可用的光源，因此 PV 换能器并不实用。由于我们已经处于压电换能器所能提供的功率上限，故而我们决定使用一个 TEG (热电发生器)。当暴露于温差环境中时，TEG 将利用塞贝克 (Seebeck) 效应在其输出端上产生一个电压 (见图 2)。为了进一步说明我们的例子，假设选择了一个 50mm2 TEG。TEG 的一端将安装至天花板中的 HVAC 管道，另一端则暴露在室温空气中。由于 TEG 的热阻非常低，要在其两端上产生一个合适的温差 (ΔT) 常常颇具挑战性，因此在室温侧将采用一个散热器。我们的测量结果表明：在平均室温为 25ºC 的情况下，冬季 (供暖) 中 HVAC 管道表面的平均温度为 38ºC，而夏季 (致冷) 中则为 12ºC。经过仔细的测量，我们确定：当把 TEG 和一个散热器安装至 HVAC 管道时，TEG 两端的 ΔT 大约为 ±10ºC。从制造商提供的产品手册我们可以发现：10ºC ΔT 时的 TEG VOUT 为 180mV。TEG 输出电阻 (ROUT) 为 2.5Ω。当 TEG ROUT = 功率转换器 (或负载) RIN 时，可输送至负载的功率达到最大。

如果我们假设电源管理电路具有一个接近 2.5Ω 的 RIN，则可提供至功率转换器输入端的最大功率为 180mV2/(2.5Ω x 4) = 3.24mW。我们的功率转换器常数 (K) 为 0.4，因此可输送至远程传感器 3.3V 输出的总功率为 3.24mW x 0.4 = 1.3mW。由于 1.3mW 明显高于此前计算得出的 818μW 平均功率 Pa，我们似乎拥有了运作所需的足够功率。

我们面临的下一个棘手难题是用于把 TEG 的非常低输出电压转换至所需的 3.3V 电压的电源管理电路。此外还有一个难点是输入电压可以是 +180mV 或 -180mV (取决于管道表面是热还是冷)。虽然或许可以通过开发一款分立电路来解决该难题，但是，若想实现一种能够满足针对可制造性、小尺寸和可靠性之系统要求的解决方案，往往非常困难。此外，电路设计对于杂散电容极为敏感，而且整个电路必需为微功率型以实现额定 K 因数。幸运的是，现在已经有了一款集成化解决方案。图 5 示出了一种采用 LTC3109 的示例电路。LTC3109可在低至 ±30mV 的输入电压条件下运作，并将产生 4 种预编程输出电压 (VOUT) 中的任一种：(2.35V、3.3V、4.1V 或 5V)。该器件提供了一个可开关的 VOUT，用于在需要时为我们的传感器供电。LTC3109 还包括一个电源管理器，可用于储存和利用剩余的收集能量。由于我们的典型负载功率低于可用能量，因此可以将任何剩余的能量存储于 CSTORE 以供日后使用。

 
图 5：LTC3109 电源管理电路

图 3 和图 4 示出了 LTC3109 在一个测量/发送周期之前、之中和之后的 3.3V 输出。VOUT 上电容器的大小根据一个测量/发送周期可接受的电压降来确定。在我们所举的例子中，我们确定 3.3V 输出端上的可接受电压降为 300mV。采用先前获得的数值，我们可以计算出所需的 COUT：

COUT = (ILOAD - IAVG) x dT/dV
= [(30mA x 30ms + 500uA x 2ms + 3mA x 5ms) - (1.3mW/3.3V)] / 0.3V
= 1.74mF，选择一个标称值为 2200μF 的电容器。

式中：
ILOAD = 3.3V 输出端上所有负载之和
IAVG = LTC3109 的平均输出电流
dT = 负载脉冲的持续时间
dV = 可接受的电压降

图 4 中的实际电压降远远低于 300mV。针对简单被测量系统的较低电流发送脉冲持续时间以及较高的输出电容是造成这种状况的原因。

图 6 示出了能量收集换能器输入暂时中断期间的 3.3V 输出。在该场合中，LTC3109 从存储电容器 CSTORE 获取工作电源。对于CSTORE 的数值没有限制，因此其大小可针对任何期望的系统保持时间来确定。

 
图 6：输入电源中断期间的运作

以上概要描述的基本设计程序适用于其他类型的能量收集换能器。目前，与压电元件 (高电压 AC)、电磁 (线圈/磁铁) 和光伏 (太阳能电池) 相连的电源管理电路很容易获得。在所有的场合中，首先都必需确定所需的平均负载功率，以了解自主型操作是否可行。

概要：
在考虑使用能量收集技术来为远程无线传感器网络中的电池提供补充和替代电源时，平均负载功率是关键的变量。至于采用何种类型的能量收集换能器合适，工作环境将始终是限定因素，而平均负载功率将进一步缩小选择范围。如今已经有了可填补低功率级换能器与超低功率微控制器、传感器和 RF 链路之间空缺的电源管理解决方案。由于所有必要的元件均已就绪，因此半自主型或全自主型远程传感器网络已经脱离了纯理论研究的阶段，而且将随时进入主流。