一种无线传感器的能量收集的实现

理解决方案应具有小巧和易用的特点，在依靠由常见的能量收集源产生的异常高或低电压工作时良好地运行，并在理想的情况下提供与源阻抗的上佳负载匹配以实现最优的功率传输。电源管理器本身在管理累积能量时所需消耗的电流必须非常小，且应在使用极少分立组件的情况下产生稳定的输出电压。

　　采用3mmx4mmx0.75mm12引脚DFN封装或16引脚SSOP封装的LTC3108解决了超低输入电压应用的能量收集问题。该器件提供了一款紧凑、简单和高度集成的单片式电源管理解决方案，能在输入电压低至20mV的情况下正常运作。凭借这种独特的能力，LTC3108可利用一个热电发生器(TEG)来为无线传感器供电，并从小至1°C的温度差(ΔT)收集能量。采用一个现成有售的小型(6mmx6mm)升压变压器和少量的低成本电容器，该器件即可提供用于给当今的无线传感器电子线路供电所需的稳定输出电压。

　　LTC3108采用一个小的升压型变压器和一个内部MOSFET形成一个谐振振荡器，可依靠非常低的输入电压来工作。变压器的升压比为1:100时，该转换器能以低至20mV的输入电压启动。变压器的副端绕组向充电泵和整流器电路馈送电压，此电压随后用于给该IC供电(通过VAUX引脚)，并给输出电容器充电。2.2VLDO的输出设计成首先进入稳定状态，以尽快给一个低功率微处理器供电。然后，将主输出电容器充电至由VS1和VS2引脚设置的电压(2.35V、3.3V、4.1V或5.0V)，用于给传感器、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因而出现低占空比负载脉冲时，VOUT存储电容器提供所需的突发能量。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1°C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。4 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。

　　5 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