利用热能收集延长远程传感器所用电池的寿命

人们常常在周围充满能源的环境中看到无线和有线传感器系统，这种环境能源非常适合用来给传感器供电。例如，能量收集可以显著地延长已安装电池的寿命，尤其当功率要求较低时，从而降低了长期维护成本，减少了宕机事件。尽管有这么多好处，但是在能量收集的采用上始终存在一些障碍。最显著的是，环境能源常常是间歇性的，或者不够给传感器系统连续供电，而主电池电源在其额定寿命期内是极其可靠的。系统设计师也许不愿意将系统升级为可以收集环境能源，尤其是当无缝集成非常重要时。凌力尔特的 LTC3107 之目标是，使其容易且无缝地延长电池寿命，以及通过给现有设计增加能量收集功能，以改变这类设计师的想法。

LTC3107 是一款负载点能量收集器，仅占用很小的空间，只要能够容纳 LTC3107 的 3mm x 3mm DFN 封装以及几个外部组件即可。通过产生一个跟踪现有主电池电压的输出电压，可无缝地采用 LTC3107 以把免费热能收集的成本节约带到新的和现有的电池供电型设计中。

LTC3107 与一个小型的热能能源一起使用，就可以延长电池寿命，在有些情况下长达电池的保存寿命，因此降低了与电池更换有关且重复发生的维护成本。LTC3107 用来增强电池，甚至视负载情况和可用的可收集能源的情况而定，完全由 LTC3107 给负载供电。

数字输出 BAT_OFF 用来指示在任意给定时刻电池是否处于使用中以为负载供电。这就允许系统监视收集器的有效性，以及电池使用的占空比，以提供维护报告。BAT_OFF 从内部上拉到 V_OUT。

图 1 显示了一个典型的无线传感器应用。这个系统完全由一个 CR3032 3.0V 锂币形主电池供电，电池容量为 500mA-Hr。如果平均系统功率需求是 250µW，那么这个电池在连续运行时，可以供电大约 8 个月时间。

图 2 显示了相同的系统，使用相同的电池，但增加了基于 LTC3107 的热能收集器，以延长电池寿命。

图 1：一个典型的电池供电无线传感器系统的简化方框图

图 2：具电池和 LTC3107 热能收集器的无线传感器系统

图 3 显示了通过增设热能收集实现的预期电池寿命延长，其在一系列 TEG 安装表面温度下(假定环境温度为 23°C) 采用了一个小型 (15mm x 15mm) 热电发生器 (TEG) 和一个 24mm² 散热器 。
 

图 3：通过使用一个热能收集器，电池寿命可以延长几年

在所收集的热功率大于负载所需的平均功率时，绝不用电池给负载供电，仅从电池吸取 80nA 电流，从而使电池寿命接近一个典型主电池的保存寿命 (5 至 10 年)。在这种情况下，电池仅用来作为 LTC3107 的基准电压以提供输出电压调节。需要提及的重要一点是，在所有工作条件下，LTC3107 都能够防止任何充电电流进入电池。

例如，就图 2 所示系统而言，当 TEG 连接至可收集热源时，诸如仅比环境温度高 12°C 的温热管道或机器时，LTC3107 就可以完全用收集的能量给 250µW 负载供电，从而在电池保存寿命期内，省去了多次电池更换服务，如图 3 所示。

图 4 波形显示了电池电压和 LTC3107 的输出电压。如图所示，输出电压稳定在大约比未加载电池电压低 30mV 的电压值上，对系统负载而言是无缝和透明的，从而为所设计的系统提供一个输出电压。在这种情况下，BAT_OFF 输出保持高电平，指示电池未用来给负载供电。(请注意，在这些图中，由于示波器探头和 LTC3107 内部的上拉电阻器组成了电阻分压器，所以示波器探头的电阻性负载使 BAT_OFF 的高电平电压降至低于 V_OUT。)

图 4：P_HARVEST > P_LOAD 时收集器的波形

如果负载需求超过收集器的供电能力，那么就按照需要，用电池来保持输出电压，并提供负载所需的必要的输出功率。在这种情况下，收集器尽可能提供最大的负载电流，以最大限度降低电池电流，并最大限度延长电池寿命。BAT_OFF 信号保持低电平，即使有些负载电流是由收集器提供。这种情况下的波形如图 5 所示。请注意，在这种情况下，LTC3107 将 V_OUT 调节至大约比实际电池电压低 220mV。

图 5：P_HARVEST < P_LOAD 时收集器的波形

如果负载是动态的，从较低值向较高值转变，那么 BAT_OFF 信号就会在高电平和低电平之间出现脉冲变化，指示何时收集器能够向负载供电，何时需要电池。图 6 所示波形说明了这种情况，该波形在瞬间的负载阶跃时出现。

图 6：短暂的负载瞬态超过 P_HARVEST 时收集器的波形

为了进一步延长电池寿命，LTC3107 可在轻负载时通过 VSTORE 引脚上电容值较大的电