一种无线传感器的能量收集的实现

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示出了输送至负载的功率与负载电阻的函数关系。在每一根曲线中都可以看出：当负载电阻与源电阻匹配时，输送至负载的功率达到最大。不过，当源电阻低于负载电阻时，输送的功率也许并非可能的最大值，而是比一个较高的源电阻驱动一个匹配负载时(本例中为0.8mW)更高(本例中为1.9mW)，注意到这一点同样很重要。选择具有最低电阻的TEG可提供最大输出功率的原因即在于此。

　　图5：电压电源驱动阻性负载的简化原理图

　　图6：电源的输出功率与负载电阻的函数关系

　　LTC3108给输入电源提供了一个约2.5Ω的最小输入电阻。(请注意：这是转换器而不是IC本身的输入电阻。)这处于大多数TEG源电阻范围的中间，从而为实现近乎最佳的功率传输提供了优良的负载匹配。LTC3108的设计是：当VIN下降时，输入电阻增大(如图7所示)。该特性令LTC3108能够很好地适应具有不同源电阻的TEG。

　　图7：LTC3108的输入电阻与VIN的关系曲线(采用1:100匝数比)

　　由于转换器的输入电阻相当低，因此无论负载大小如何它都将从电源吸收电流。以图8所示为例：当采用一个100mV输入时，转换器从电源吸收约37mA的电流。不可把该输入电流误当作IC本身所需的为其内部电路供电的6μA静态电流(取自VAUX)。当在极低电压条件下启动或依靠一个存储电容器来工作时，低静态电流的意义最为重大。

　　图8：LTC3108的输入电流与VIN的关系曲线(采用1:100匝数比)6 选择用于发电的TEG

　　大多数热电模块制造商均未提供有关输出电压或输出功率与温差之间关系的数据，而这恰恰是热能收集器设计人员所希望了解的。始终提供的两个参数是VMAX和IMAX，即某个特定模块的最大工作电压和最大工作电流(当在某种加热/冷却应用中处于驱动状态时)。

　　在选择针对发电用途的热电模块时，上佳的经验法则是在给定的尺寸下选择具有最大(VMAX°IMAX)乘积的模块。这通常将提供最高的TEG输出电压和最低的源电阻。对此经验法则有一条附加说明，这就是散热器的尺寸必须根据TEG的尺寸来确定。较大的TEG需要大一些的散热器来实现最佳的性能。需要注意的是，制造商如果提供了电阻参数的话，那么指的是AC电阻，这是因为它无法使用DC电流以传统的方式来测量(DC电流会引发Seebeck电压，从而产生错误的电阻读数)。图9是一幅曲线图，给出了采用13种不同的TEG时(固定ΔT=5°C)LTC3108的功率输出与每个模块的(VMAX°IMAX)乘积的关系曲线。由图可见，当VI乘积较高时，LTC3108提供的输出功率通常也较高。

　　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1°C至20°C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15°W/K-cm2至30°W/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

　　7 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1°C/W至10°C/W)所致。

　　考虑如下的例子，一部大型机器在周围环境温度为25°C以及表面温度为35°C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35°C，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(RTEG)为2°C