超低压转换器推动热电源能量收集的发展

　　背景

　　用于测量和控制用途的超低功率无线传感器节点在大量增加，这种情况与新的能量收集技术相结合，已经使得有可能产生完全自主运行的系统，即由周围环境中的能源而不是电池供电的系统。用周围环境中的能源或“免费”能源给无线传感器节点供电这种方法很有吸引力，因为这种方法可以对电池电源起到补充作用，或者完全不再需要电池或导线。当更换电池或电池维护不方便、昂贵或危险时，这种方法具有显然的优势。

　　完全不用导线还使得很容易大规模扩展监视和控制系统。能量收集无线传感器系统在多种多样的领域简化了安装和维护，例如楼宇自动化、无线 / 自动计量和预测性维护、以及其他无数的工业、军事、汽车和消费类应用。能量收集的好处很明显，但是有效的能量收集系统需要一种聪明的电源管理方法，以将极其微量的免费能源转换成无线传感器系统可用的形式。

　　一切都归结为占空比问题

　　很多无线传感器系统都消耗非常低的平均功率，因此成为了用能量收集方法供电的首选系统。很多传感器节点都用来监视变化缓慢的物理量。因此，不用经常进行测量和发送测量结果，这使得系统以很低的占空比运行，相应地，平均功率需求也很低。例如，如果一个传感器系统在唤醒时需要 3.3V/30mA （100mW），但每秒钟仅有 10ms 处于工作状态，那么假定在发送突发数据中间的非工作状态，传感器系统的电流降至几微安，则所需的平均功率仅为 1mW。如果同样的无线传感器每分钟、而不是每秒钟仅采样和发送一次，那么平均功率就会降至不到 20µW。这种差别非常重要，因为大多数能量收集方法提供的稳定状态功率都非常低，通常不高于几毫瓦，在有些情况下仅为几微瓦。应用所需的平均功率越低，就越有可能用收集的能量供电。

　　能量收集来源

　　最常见的可收集能源是振动 （或运动）、光和热。所有这些能源的换能器都有 3 个共同特点：

　　电输出是不稳定的，不适合直接用来给电子电路供电

　　也许不能提供连续的、不间断的电源

　　一般产生非常低的平均输出功率，通常在 10µW 至 10mW 范围

　　如果要用这些能量源来给无线传感器或其他电子产品供电，那么面向上述特点要求，就要进行审慎的电源管理。

　　电源管理：能量收集中缺少的环节

　　由收集能量供电的典型无线传感器系统可以划分成 5 个基本组成部分，如图 1 所示。除了电源管理部分，其他所有部分通常都面市有一段时间了。例如，以毫瓦功率运行的微处理器、小型和经济实惠的 RF 发送器、以及消耗非常低功率的收发器都可以广泛地得到。低功率模拟和数字传感器也是无处不在。

　　

　　图 1：典型无线传感器系统配置

　　SENSORS：传感器

　　ENERGY SOURCE （SOLAR， PEIZO， TEG， ETC.）：能源 （太阳能、压电器件、热电发生器等）

　　POWER/ENERGY MANAGEMENT：功率 / 能量管理

　　uPROCESSOR：微处理器

　　RF LINK：RF 链路

　　在实现这种能量收集系统链路时，缺失的一环始终是可以依靠一个或多个常见免费能源工作的功率转换器 / 电源管理构件。能量收集的理想电源管理解决方案应具有小巧、易用的特点，在采用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。

　　有些应用 （例如： 无线 HVAC 传感器或地热供电的传感器） 给能量收集电源转换器造成了另一种独特的挑战。这类应用要求能量收集电源管理器不仅能用非常低的输入电压工作，而且能随着热电发生器 （TEG） ?T 极性的变化，用任一极性的电压工作。这是一个非常具有挑战性的问题，在数十或数百毫伏电压情况下，二极管桥型整流器不是一个可行的选择。

　　LTC3109 采用 4mm x 4mm x 0.75mm 20 引脚 QFN 或 20 引脚 SSOP 封装，解决了任一极性超低输入电压源的能量收集问题。该器件能以低至 ±30mV 的输入电压工作，提供了紧凑、简单、高度集成的单片电源管理解决方案。这种独特能力使该器件能用 TEG 给无线传感器供电，而 TEG 可从低至 2°C 的温度差 （?T） 中收集能量。运用两个小型 （6mm x 6mm） 现成有售的降压型变压器和少数低成本电容器，该器件就可提供为今天的无线传感器电子产品供电所必需的稳定输出电压。

　　LTC3109 运用这些降压型变压器和内部 MOSFET 形成一个谐振振荡器，该振荡器能用非常低的输入电压工作。运用 1:100 的变压比，该转换器能以低至 30mV 的输入启动，而无论电压是哪种极性。变压器副端绕组向充电泵和整流电路馈送电压，以给该 IC 供电 （通过 VAUX 引脚），并给输出电容器充电。2.2V LDO 输出设计为首先稳定，以尽快给低功率微处理器供电。之后，主输出电容器被充电至通过 VS1 和 VS2 引脚设定的电压 （2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V），以给传感器、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时，VOUT 存储电容器在低占空比负载脉冲期间提供突发能量。另外，还提供开关输出 （VOUT2），以给没有停机或低功率休眠模式的电路供电，该开关输出很容易通过主器件控制。还包括一个电源良好输出以提醒主器件，主输出电压接近其稳定值了。图 2 显示了 LTC3109 的电路原理图。

　　

　　图 2：适用于单极性输入工作方式的 LTC3109 原理图

　　TEG （THERMOELECTRIC GENERATOR） ±30mV TO ±500mV

　　TEG （热电发生器）：±30mV 至 ±500mV

　　OPTIONAL SWITCHED OUTPUT FOR SENSORS：用于传感器的可选开关输出

　　LOW POWER RADIO：低功率射频

　　SENSOR （S）：传感器