采用超低電壓轉(zhuǎn)換器改善從熱電能源的能量收集

背景

　　測量和控制所需的超低功率無線傳感器節(jié)點的激增，再加上新型能量收集技術(shù)的運用，使得由局部環(huán)境能量而非電池供電的全自主型系統(tǒng)成為可能。利用環(huán)境或“免費”能量來為無線傳感器節(jié)點供電是很有吸引力，因為它能夠?qū)﹄姵鼗驅(qū)Ь€供電提供補(bǔ)充、甚至完全無需使用電池或供電導(dǎo)線。當(dāng)更換或檢修電池存在不便、費用昂貴或危險之時，這顯然是有好處的。

　　許多無線傳感器系統(tǒng)消耗非常低的平均功率，從而成為可利用能量收集技術(shù)進(jìn)行供電的主要候選對象。很多傳感器節(jié)點用于監(jiān)視緩慢變化的物理量。所以可以不經(jīng)常進(jìn)行測量，也不需要經(jīng)常發(fā)送測量數(shù)據(jù)，因此傳感器節(jié)點是以非常低的占空比工作的。相應(yīng)地，平均功率需求也很低。例如：如果一個傳感器系統(tǒng)處于喚醒狀態(tài)時需要3.3V/30mA （100mW），但每秒鐘只有10ms在工作，那么其所需的平均功率僅為1mW，假定在傳送突發(fā)的間隔期間不工作時，傳感器系統(tǒng)電流降至數(shù)μA.倘若這個無線傳感器只是每分鐘（而不是每秒鐘）進(jìn)行一次采樣和傳送，則平均功率將驟降至20μW以下。這差異是十分重要，因為大多數(shù)形式的能量收集均提供非常小的穩(wěn)態(tài)功率（通常只有幾mW，某些場合甚至僅為幾μW）。應(yīng)用所需的平均功率越低，就越有可能采用收集能量來供電。

　　能量收集源

　　可供收集的最常見能量源是振動（或運動）、光和熱。用于所有這些能量源的換能器都具有以下的共同特性：

　　它們的電輸出未經(jīng)穩(wěn)壓，并且不適合直接用于給電子電路供電

　　它們可能無法提供一個連續(xù)和不間斷的電源

　　它們往往只產(chǎn)生非常低的平均輸出功率（通常大約為10μW至10mW）

　　如果想把此類能量源用于給無線傳感器或其他電子線路供電，就必需針對上述特性進(jìn)行明智而審慎的電源管理。

　　電源管理

　　由收集能量供電的典型無線傳感器系統(tǒng)可分解為5個基本構(gòu)件，如圖1所示。除了電源管理構(gòu)件之外，所有這些構(gòu)件都已經(jīng)用了有一段時間。比如：運行功率僅數(shù) μW的微處理器以及功耗同樣非常之低、具成本效益的小型RF發(fā)送器和收發(fā)器已被廣泛使用。低功率的模擬和數(shù)字傳感器也是無處不在。

　　圖1：典型的無線傳感器系統(tǒng)配置

　　面向能量收集的理想電源管理解決方案應(yīng)具有小巧、易用和工作性能良好的特性，同時能夠采用由常見能量收集源所產(chǎn)生的異常高或異常低電壓來運作，并且以理想的方式提供與源阻抗的良好負(fù)載匹配，可實現(xiàn)最佳的功率傳輸。電源管理器本身必須只需要非常微小的電流來管理累積的能量，并使用極少的分立組件來產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。

　　有些應(yīng)用（比如：無線HVAC傳感器或地?zé)峁╇娦蛡鞲衅鳎﹦t給能量收集電源轉(zhuǎn)換器提出了另一項獨特的挑戰(zhàn)。此類應(yīng)用要求能量收集電源管理器能夠依靠一個非常低、而且是任一極性的輸入電壓來運作，這是因為熱電發(fā)生器（TEG）兩端之ΔT的極性是會變化的。這是一個特別棘手的難題，而且在幾十或幾百mV的電壓條件下，二極管橋式整流器并不是可選的方案。

　　采用4mm x 4mm x 0.75mm 20引腳QFN封裝或20引腳SSOP封裝的LTC3109可解決任一極性之超低輸入電壓源的能量收集問題。該器件提供了一款緊湊、簡單、高度集成的單片式電源管理解決方案，適合采用低至±30mV的輸入電壓來運作。這種獨特的能力使其可以采用一個熱電發(fā)生器（T