由 TEG 供電的典型無線傳感器應用如圖 13 所示。在這個例子中，TEG 上至少有 2oC 的溫差可用，因此選擇 1:50 的變壓器升壓比，以在 2oC 至 10oC ΔT 的范圍內實現最高的輸出功率。當采用圖示的 TEG (邊長 40mm 的方形器件，具有 1.25Ω 的電阻) 時，該電路能夠依靠低至 2oC 的溫差啟動并對 VOUT 電容器進行充電。請注意，在轉換器的輸入端上跨接了一個大容量的去耦電容器。在輸入電壓與 TEG 之間提供良好的去耦可最大限度地減小輸入紋波、提升輸出功率能力并在盡可能低的ΔT 條件下啟動。

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　　圖 13：由一個 TEG 來供電的無線傳感器應用

　　在圖 13 所示的例子中，2.2V LDO 輸出負責給微處理器供電，而 VOUT 利用VS1 和 VS2 引腳設置為 3.3V，以給 RF 發送器供電。開關 VOUT (VOUT2) 由微處理器控制，以僅在需要時給 3.3V 傳感器供電。當VOUT 達到其穩定值的 93% 時，PGOOD 輸出將向微處理器發出指示信號。為了在輸入電壓不存在時保持運作，在后臺從 VSTORE 引腳給 0.1F 存儲電容器充電。這個電容器可以一路充電至高達 VAUX 并聯穩壓器的 5.25V 箝位電壓。如果失去了輸入電壓電源，那么就自動地由存儲電容器提供能量，以給該 IC 供電，并保持 VLDO 和 VOUT 的穩定。

　　在本例中，根據下面的公式來確定 COUT 存儲電容器的大小，以在 10ms 的持續時間內支持15mA 的總負載脈沖，從而在負載脈沖期間允許 VOUT 有 0.33V 的下降。請注意，IPULSE 包括 VLDO 和 VOUT2 以及 VOUT 上的負載，但可用的充電電流未包括在內，因為與負載相比，它可能非常小。

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

　　考慮到這些要求，COUT 至少須為 454μF，因此選擇了一個 470μF 的電容器。

　　采用所示的 TEG，在 ΔT 為 5oC 時工作，那么 LTC3108 在 3.3V 時可提供的平均充電電流約為 560μA。利用這些數據，我們可以計算出，首次給 VOUT 存儲電容器充電需要花多長時間，以及該電路能以多大的頻度發送脈沖。假定在充電階段中 VLDO 和 VOUT 上的負載非常小 (相對于 560μA)，那么 VOUT 最初的充電時間為：

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

　　假定發送脈沖之間的負載電流非常小，那么一種簡單估計最大容許發送速率的方法是用可從 LTC3108 獲得的平均輸出功率 (在本例情況下為 3.3V ? 560μA = 1.85mW) 除以脈沖期間所需的功率 (在本例情況下為 3.3V ? 15mA = 49.5mW)。收集器能夠支持的最大占空比為 1.85mW / 49.5mW = 0.037 或 3.7%。因此最大脈沖發送速率為 0.01 / 0.037 = 0.27s 或約為 3.7Hz。

　　請注意，如果平均負載電流 (如發送速率所決定的那樣) 是收集器所能支持的最大電流，那么將沒有剩余的收集能量用于給存儲電容器充電 (如果需要存儲能力的話)。因此，在這個例子中，發送速率設定為 2Hz，從而留出幾乎一半的可用能量給存儲電容器充電。在該場合中，VSTORE 電容器提供的存儲時間利用以下公式來計算：

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

　　上述計算包括 LTC3108 所需的6μA靜態電流，而且假定發送脈沖之間的負載極小。在此場合中，一旦存儲電容器達到滿充電狀態，它就能以 2Hz 的發送速率支持負載達 637s 的時間，或支持總共 1274 個發送脈沖。

　　利用后備電池的超低功率應用

　　有些應用或許沒有脈沖負載，但卻可能需要連續工作。傳統上，此類應用由一個小型主電池 (比如：3V幣形鋰電池) 來供電。假如功率需求足夠低，那么這些應用就能夠利用熱能收集來連續供電，或者可以借助熱能收集來極大地延長電池的使用壽命，從而降低維護成本。

　　圖 14 示出了一種利用后備電池來驅動一個連續負載的能量收集應用。在該例中，所有的電子線路均全部由 2.2V LDO 輸出來供電，且總電流消耗小于 200μA，只要 TEG 上至少存在 3oC 的溫度差，LTC3108 就能連續地給負載供電。在這些條件下，電池上沒有負載。當可用的收集能量不夠時，3V鋰電池將無縫地“接管”并給負載供電。

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　　圖 14：具有后備電池的能量收集器

　　能量存儲替代方案

　　對于那些選用可再充電電池來替代主電池以提供備份或能量存儲的應用，圖 14 中的二極管可以去掉，并用可再充電的鎳電池或鋰離子電池 (包括新型可再充電薄膜鋰電池) 來替換鋰電池。如果采用的是可再充電的鎳電池，則其自放電電流必須小于 LTC3108 所能供應的平均充電電流。如果選用鋰離子電池，則需要增設額外的電路以保護其免遭過度充電和過度放電的損壞。另外還有一種存儲替代方案就是具有 5.25V 額定電壓的超級電容器，例如：Cooper-Bussman PB-5ROH104-R。與可再充電電池相比，超級電容器的優勢在于擁有更多的充 / 放電次數，而缺點則是能量密度低得多。

　　熱量收集應用需要自動極性

　　有些應用 (例如：無線 HVAC 傳感器或地熱供電的傳感器) 對能量收集功率轉換器提出了另一種獨特的挑戰。此類應用要求能量收集電源管理器不僅能夠依靠非常低的輸入電壓來工作，而且能以任一極性工作，因為 TEG 上的 ?T 的極性可能改變。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，二極管橋式整流器不是合適的選項。

　　LTC3109 是唯一適合克服這種從任一極性的能量源收集能量之挑戰的器件。LTC3109 運用具 1:100 升壓比的變壓器，能以低至 ±30mV 的輸入電壓工作。LTC3109 與 LTC3108 的功能相同，包括一個 LDO、一個數字可編程的輸出電壓、一個電源良好輸出、一個開關輸出和一個能量存儲輸出。LTC3109 采用 4mm x 4mm 20 引腳 QFN 封裝或 20 引腳 SSOP 封裝。圖 15 顯示了 LTC3109 在自動極性應用中的一個典型例子。如圖 16 所示，該轉換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線說明，該器件在任一極性的輸入電壓時，都能同樣良好地工作。

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　　圖 15：自動極性能量收集器供電的無線傳感器節點

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　　圖 16：圖 15 中轉換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線

　　LTC3109 也可以針對單極性操作進行配置，采用單個變壓器 (與 LTC3108 相似) 來適應那些需要盡可能低的啟動電壓和盡可能高的輸出電流的應用。圖 17 中示出的電路可在僅 15mV 的電壓下啟動，該電壓是采用所示的 TEG 在小于 1oC 的溫差條件下產生的。在10oC 溫差時，它能夠提供穩定的 5V 電壓 (在 0.74mA 電流下)，從而可輸送 3.7mW 的已調穩態輸出功率。在相同的條件下，這幾乎達到了 LTC3108 輸出功率的兩倍，如圖 18 所示。

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　　圖 17：采用 LTC3108 的單極性轉換器能在僅 15mV 的電壓條件下啟動

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　　圖 18：LTC3108 和 LTC3109輸出功率的比較

　　需要注意：在單極性配置中，LTC3109 對 TEG 呈現出約 1Ω 的負載電阻，因此應選擇一個具有非常低源電阻的 TEG 以實現優良的負載匹配，否則在單極性配置中使用 LTC3109 將毫無優勢可言，這一點很重要。本例中所采用的 TEG 具有 1.0Ω 的標稱源電阻，旨在實現最佳的功率傳輸。

　　結論

　　LTC3108 和 LTC3109 能獨特地在輸入電壓低至 20mV 時工作，或者以非常低的任一極性電壓工作，提供了簡單和有效的電源管理解決方案，能實現熱能收集，以利用常見的熱電器件為無線傳感器和其他低功率應用供電。這些產品采用 12 引腳 DFN 或 16 引腳 SSOP 封裝 (LTC3108 和 LTC3108-1) 和 20 引腳 QFN 或 SSOP 封裝 (LTC3109)，提供了前所未有的低電壓能力和高集成度，可最大限度地縮減解決方案占板面積。LTC3108、LTC3108-1 和 LTC3109 可與現有的低功率單元式部件實現無縫連接，以支持自主型無線傳感器并延長關鍵后備電池應用中的電池使用壽命。