脉冲负载应用 - 超低电压能量收集器无线传感器供电方案

　　由 TEG 供电的典型无线传感器应用如图 13 所示。在这个例子中，TEG 上至少有 2ºC 的温差可用，因此选择 1:50 的变压器升压比，以在 2ºC 至 10ºC ΔT 的范围内实现最高的输出功率。当采用图示的 TEG (边长 40mm 的方形器件，具有 1.25Ω 的电阻) 时，该电路能够依靠低至 2ºC 的温差启动并对 VOUT 电容器进行充电。请注意，在转换器的输入端上跨接了一个大容量的去耦电容器。在输入电压与 TEG 之间提供良好的去耦可最大限度地减小输入纹波、提升输出功率能力并在尽可能低的ΔT 条件下启动。

　　图 13：由一个 TEG 来供电的无线传感器应用

　　在图 13 所示的例子中，2.2V LDO 输出负责给微处理器供电，而 VOUT 利用VS1 和 VS2 引脚设置为 3.3V，以给 RF 发送器供电。开关 VOUT (VOUT2) 由微处理器控制，以仅在需要时给 3.3V 传感器供电。当VOUT 达到其稳定值的 93% 时，PGOOD 输出将向微处理器发出指示信号。为了在输入电压不存在时保持运作，在后台从 VSTORE 引脚给 0.1F 存储电容器充电。这个电容器可以一路充电至高达 VAUX 并联稳压器的 5.25V 箝位电压。如果失去了输入电压电源，那么就自动地由存储电容器提供能量，以给该 IC 供电，并保持 VLDO 和 VOUT 的稳定。

　　在本例中，根据下面的公式来确定 COUT 存储电容器的大小，以在 10ms 的持续时间内支持15mA 的总负载脉冲，从而在负载脉冲期间允许 VOUT 有 0.33V 的下降。请注意，IPULSE 包括 VLDO 和 VOUT2 以及 VOUT 上的负载，但可用的充电电流未包括在内，因为与负载相比，它可能非常小。

　　COUT(μF) = IPULSE (mA) • tPULSE (ms) / dVOUT

　　考虑到这些要求，COUT 至少须为 454μF，因此选择了一个 470μF 的电容器。

　　采用所示的 TEG，在 ΔT 为 5ºC 时工作，那么 LTC3108 在 3.3V 时可提供的平均充电电流约为 560μA。利用这些数据，我们可以计算出，首次给 VOUT 存储电容器充电需要花多长时间，以及该电路能以多大的频度发送脉冲。假定在充电阶段中 VLDO 和 VOUT 上的负载非常小 (相对于 560μA)，那么 VOUT 最初的充电时间为：

　　tCHARGE = 470μF • 3.3V / 560μA = 2.77s

　　假定发送脉冲之间的负载电流非常小，那么一种简单估计最大容许发送速率的方法是用可从 LTC3108 获得的平均输出功率 (在本例情况下为 3.3V • 560μA = 1.85mW) 除以脉冲期间所需的功率 (在本例情况下为 3.3V • 15mA = 49.5mW)。收集器能够支持的最大占空比为 1.85mW / 49.5mW = 0.037 或 3.7%。因此最大脉冲发送速率为 0.01 / 0.037 = 0.27s 或约为 3.7Hz。

　　请注意，如果平均负载电流 (如发送速率所决定的那样) 是收集器所能支持的最大电流，那么将没有剩余的收集能量用于给存储电容器充电 (如果需要存储能力的话)。因此，在这个例子中，发送速率设定为 2Hz，从而留出几乎一半的可用能量给存储电容器充电。在该场合中，VSTORE 电容器提供的存储时间利用以下公式来计算：

　　tSTORE = 0.1F • (5.25V - 3.3V) / (6μA + 15mA • 0.01 / 0.5) = 637s

　　上述计算包括 LTC3108 所需的6μA静态电流，而且假定发送脉冲之间的负载极小。在此场合中，一旦存储电容器达到满充电状态，它就能以 2Hz 的发送速率支持负载达 637s 的时间，或支持总共 1274 个发送脉冲。

　　利用后备电池的超低功率应用

　　有些应用或许没有脉冲负载，但却可能需要连续工作。传统上，此类应用由一个小型主电池 (比如：3V币形锂电池) 来供电。假如功率需求足够低，那么这些应用就能够利用热能收集来连续供电，或者可以借助热能收集来极大地延长电池的使用寿命，从而降低维护成本。

　　图 14 示出了一种利用后备电池来驱动一个连续负载的能量收集应用。在该例中，所有的电子线路均全部由 2.2V LDO 输出来供电，且总电流消耗小于 200μA，只要 TEG 上至少存在 3ºC 的温度差，LTC3108 就能连续地给负载供电。在这些条件下，电池上没有负载。当可用的收集能量不够时，3V锂电池将无缝地“接管”并给负载供电。

　　图 14：具有后备电池的能量收集器

　　能量存储替代方案

　　对于那些选用可再充电电池来替代主电池以提供备份或能量存储的应用，图 14 中的二极管可以去掉，并用可再充电的镍电池或锂离子电池 (包括新型可再充电薄膜锂电池) 来替换锂电池。如果采用的是可再充电的镍电池，则其自放电电流必须小于 LTC3108 所能供应的平均充电电流。如果选用锂离子电池，则需要增设额外的电路以保护其免遭过度充电和过度放电的损坏。另外还有一种存储替代方案就是具有 5.25V 额定电压的超级电容器，例如：Cooper-Bussman PB-5ROH104-R。与可再充电电池相比，超级电容器的优势在于拥有更多的充 / 放电次数，而缺点则是能量密度低得多。

　　热量收集应用需要自动极性

　　有些应用 (例如：无线 HVAC 传感器或地热供电的传感器) 对能量收集功率转换器提出了另一种独特的挑战。此类应用要求能量收集电源管理器不仅能够依靠非常低的输入电压来工作，而且能以任一极性工作，因为 TEG 上的 ?T 的极性可能改变。这是一个特别棘手的难题，而且，在几十或几百 mV 的电压条件下，二极管桥式整流器不是合适的选项。

　　LTC3109 是唯一适合克服这种从任一极性的能量源收集能量之挑战的器件。LTC3109 运用具 1:100 升压比的变压器，能以低至 ±30mV 的输入电压工作。LTC3109 与 LTC3108 的功能相同，包括一个 LDO、一个数字可编程的输出电压、一个电源良好输出、一个开关输出和一个能量存储输出。LTC3109 采用 4mm x 4mm 20 引脚 QFN 封装或 20 引脚 SSOP 封装。图 15 显示了 LTC3109 在自动极性应用中的一个典型例子。如图 16 所示，该转换器的输出电流随 VIN 变化的曲线说明，该器件在任一极性的输入电压时，都能同样良好地工作。

　　图 15：自动极性能量收集器供电的无线传感器节点

　　图 16：图 15 中转换器的输出电流随 VIN 变化的曲线

　　LTC3109 也可以针对单极性操作进行配置，采用单个变压器 (与 LTC3108 相似) 来适应那些需要尽可能低的启动电压和尽可能高的输出电流的应用。图 17 中示出的电路可在仅 15mV 的电压下启动，该电压是采用所示的 TEG 在小于 1ºC 的温差条件下产生的。在10ºC 温差时，它能够提供稳定的 5V 电压 (在 0.74mA 电流下)，从而可输送 3.7mW 的已调稳态输出功率。在相同的条件下，这几乎达到了 LTC3108 输出功率的两倍，如图 18 所示。

　　图 17：采用 LTC3108 的单极性转换器能在仅 15mV 的电压条件下启动

　　图 18：LTC3108 和 LTC3109输出功率的比较

　　需要注意：在单极性配置中，LTC3109 对 TEG 呈现出约 1Ω 的负载电阻，因此应选择一个具有非常低源电阻的 TEG 以实现优良的负载匹配，否则在单极性配置中使用 LTC3109 将毫无优势可言，这一点很重要。本例中所采用的 TEG 具有 1.0Ω 的标称源电阻，旨在实现最佳的功率传输。

　　结论

　　LTC3108 和 LTC3109 能独特地在输入电压低至 20mV 时工作，或者以非常低的任一极性电压工作，提供了简单和有效的电源管理解决方案，能实现热能收集，以利用常见的热电器件为无线传感器和其他低功率应用供电。这些产品采用 12 引脚 DFN 或 16 引脚 SSOP 封装 (LTC3108 和 LTC3108-1) 和 20 引脚 QFN 或 SSOP 封装 (LTC3109)，提供了前所未有的低电压能力和高集成度，可最大限度地缩减解决方案占板面积。LTC3108、LTC3108-1 和 LTC3109 可与现有的低功率单元式部件实现无缝连接，以支持自主型无线传感器并延长关键后备电池应用中的电池使用寿命。