一種無線傳感器的能量收集的實現 - 全文

　　測量和控制所需的超低功率無線傳感器節點的激增，再加上新型能量收集技術的運用，使得由局部環境能量而非電池供電的全自主型系統成為可能。

　　能量收集無線傳感器系統簡化了眾多領域中的安裝和維護工作。

　　能量收集的好處是顯而易見的，不過，有效的能量收集系統需要使用智能型的電源管理方案，以把微弱的免費能量轉換為一種無線傳感器系統可以使用的形式。

　　1 歸根到底是占空比的問題

　　許多無線傳感器系統的平均功率消耗非常之低，從而使其成為可利用能量收集技術進行供電的主要候選對象。很多傳感器節點用于監視緩慢變化的物理量。所以可以不經常進行測量，也不需要經常發送測量數據，因此傳感器節點是以非常低的占空比工作的。相應地，平均功率需求也很低。

　　例如：若一個傳感器系統處于喚醒狀態時的需要3.3V/30mA(100mW)的功率，但在每秒時間里只運行10ms，那么其所需的平均功率僅為1mW，假定在傳送突發的間隔期間不工作時，傳感器系統電流降至數μA。倘若這個無線傳感器只是每分鐘(而不是每秒鐘)進行一次采樣和傳送，則平均功率將驟降至20μW以下。由于大多數形式的能量收集均提供非常小的穩態功率(通常只有幾mW，有時甚至僅幾μW)，因此這種功率需求量的差異是很重要的。應用所需的平均功率越低，就越有可能采用收集能量來供電。

　　2　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：

　　a 它們的電輸出未經穩壓且不適合直接用于給電子電路供電

　　b 它們可能無法提供一個連續和不間斷的電源

　　c 它們往往只產生非常低的平均輸出功率(通常在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行明智而審慎的電源管理。

　　3 電源管理：迄今為止在能量收集中仍然缺失的一環

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

　　在實現這種能量收集系統鏈路時，缺失的一環始終是可以靠一個或多個常見免費能源工作的功率轉換器/電源管理構件。能量收集的理想電源管理解決方案應具有小巧和易用的特點，在依靠由常見的能量收集源產生的異常高或低電壓工作時良好地運行，并在理想的情況下提供與源阻抗的上佳負載匹配以實現最優的功率傳輸。電源管理器本身在管理累積能量時所需消耗的電流必須非常小，且應在使用極少分立組件的情況下產生穩定的輸出電壓。

　　采用3mmx4mmx0.75mm12引腳DFN封裝或16引腳SSOP封裝的LTC3108解決了超低輸入電壓應用的能量收集問題。該器件提供了一款緊湊、簡單和高度集成的單片式電源管理解決方案，能在輸入電壓低至20mV的情況下正常運作。憑借這種獨特的能力，LTC3108可利用一個熱電發生器(TEG)來為無線傳感器供電，并從小至1°C的溫度差(ΔT)收集能量。采用一個現成有售的小型(6mmx6mm)升壓變壓器和少量的低成本電容器，該器件即可提供用于給當今的無線傳感器電子線路供電所需的穩定輸出電壓。

　　LTC3108采用一個小的升壓型變壓器和一個內部MOSFET形成一個諧振振蕩器，可依靠非常低的輸入電壓來工作。變壓器的升壓比為1:100時，該轉換器能以低至20mV的輸入電壓啟動。變壓器的副端繞組向充電泵和整流器電路饋送電壓，此電壓隨后用于給該IC供電(通過VAUX引腳)，并給輸出電容器充電。2.2VLDO的輸出設計成首先進入穩定狀態，以盡快給一個低功率微處理器供電。然后，將主輸出電容器充電至由VS1和VS2引腳設置的電壓(2.35V、3.3V、4.1V或5.0V)，用于給傳感器、模擬電路、RF收發器供電，甚至給超級電容器或電池充電。當無線傳感器工作并發送數據因而出現低占空比負載脈沖時，VOUT存儲電容器提供所需的突發能量。另外還提供了一個可由主機輕松加以控制的開關輸出(VOUT2)，以給不具備停機或低功率睡眠模式的電路供電。該器件具有一個電源良好輸出，用于在主輸出電壓接近其穩定值時向主機發出警示信號。圖2示出了LTC3108的方框圖。LTC3108-1版本的器件除了提供一組不同的可選輸出電壓(2.5V、3.0V、3.7V或4.5V)以外，其他則與LTC3108完全相同。

　　圖2：LTC3108的方框圖

　　一旦VOUT充電并進入穩定狀態，那么所收集的電流就被導向VSTORE引腳，以給一個可任選的大型存儲電容器或可再充電電池充電。如果能量收集電源是間歇性的，那么這個存儲元件就可用來保持穩壓狀態并給系統供電。上電及斷電期間的輸出電壓排序可見于圖3。VAUX引腳上的一個并聯穩壓器可防止VSTORE被充電至5.3V以上。

　　圖3：上電及斷電期間的電壓排序

　　采用一個邊長40mm的標準方形TEG，LTC3108能依靠低至1°C的ΔT來工作，從而使其適用于眾多的能量收集應用。在ΔT較高的情況下，LTC3108將能夠提供一個較高的平均輸出電流。

　　4 熱電發生器的基本原理

　　熱電發生器(TEG)其實就是熱電模塊，它利用塞貝克(Seebeck)效應將設備上的溫度差(以及由于溫度差所導致的流過設備的熱量)轉換為電壓。這一現象的逆過程(被稱為帕爾帖[Peltier]效應)則是通過施加電壓而產生溫度差，并為熱電冷卻器(TEC)所慣用。輸出電壓的極性取決于TEG兩端溫度差的極性。如果TEG的熱端和冷端掉換過來，那么輸出電壓就將改變極性。

　　TEG由采用電串聯連接并夾在兩塊導熱陶瓷板之間的N型摻雜和P型摻雜半導體芯片對或偶所構成。最常用的半導體材料是碲化鉍(Bi2Te3)。圖4示出了TEG的機械構造。

　　圖4：TEG的構造

　　有些制造商將TEG與TEC區分開來。當作為TEG銷售時，通常意味著用于裝配模塊內部電偶的焊料具有較高的熔點，故可在較高的溫度和溫差條件下工作，因而能夠提供高于標準TEC(其最大溫度通常限制在125°C)的輸出功率。大多數低功率能量收集應用不會遇到高溫或高溫差的情況。

　　TEG的尺寸和電氣規格多種多樣。大多數常見的模塊都是方形的，每邊的長度從10mm到50mm不等，厚度一般為2mm~5mm。

　　對于一個給定的ΔT(與塞貝克系數成比例)，TEG將產生多大的電壓受控于諸多的變量。其輸出電壓為10mV/K至50mV/K溫差(取決于電偶的數目)，并具有0.5Ω至5Ω的源電阻。一般而言，對于給定的ΔT，TEG所擁有的串聯電偶越多，其輸出電壓就越高。然而，增加電偶的數目也會增加TEG的串聯電阻，從而導致在加載時產生較大的壓降。制造商可以通過調整個別半導體芯片的尺寸和設計對此進行補償，以在保持低電阻的同時仍然提供較高的輸出電壓。

　　5 負載匹配

　　為了從任意電壓電源吸取可獲得的最大功率，負載電阻必須與電源的內阻相匹配。圖5中的實例說明了這一點，此處，一個具有100mV開路電壓和1Ω或3Ω源電阻的電壓電源用于驅動一個負載電阻器。圖6示出了輸送至負載的功率與負載電阻的函數關系。在每一根曲線中都可以看出：當負載電阻與源電阻匹配時，輸送至負載的功率達到最大。不過，當源電阻低于負載電阻時，輸送的功率也許并非可能的最大值，而是比一個較高的源電阻驅動一個匹配負載時(本例中為0.8mW)更高(本例中為1.9mW)，注意到這一點同樣很重要。選擇具有最低電阻的TEG可提供最大輸出功率的原因即在于此。

　　圖5：電壓電源驅動阻性負載的簡化原理圖

　　圖6：電源的輸出功率與負載電阻的函數關系

　　LTC3108給輸入電源提供了一個約2.5Ω的最小輸入電阻。(請注意：這是轉換器而不是IC本身的輸入電阻。)這處于大多數TEG源電阻范圍的中間，從而為實現近乎最佳的功率傳輸提供了優良的負載匹配。LTC3108的設計是：當VIN下降時，輸入電阻增大(如圖7所示)。該特性令LTC3108能夠很好地適應具有不同源電阻的TEG。

　　圖7：LTC3108的輸入電阻與VIN的關系曲線(采用1:100匝數比)

　　由于轉換器的輸入電阻相當低，因此無論負載大小如何它都將從電源吸收電流。以圖8所示為例：當采用一個100mV輸入時，轉換器從電源吸收約37mA的電流。不可把該輸入電流誤當作IC本身所需的為其內部電路供電的6μA靜態電流(取自VAUX)。當在極低電壓條件下啟動或依靠一個存儲電容器來工作時，低靜態電流的意義最為重大。

　　圖8：LTC3108的輸入電流與VIN的關系曲線(采用1:100匝數比)

　　6 選擇用于發電的TEG

　　大多數熱電模塊制造商均未提供有關輸出電壓或輸出功率與溫差之間關系的數據，而這恰恰是熱能收集器設計人員所希望了解的。始終提供的兩個參數是VMAX和IMAX，即某個特定模塊的最大工作電壓和最大工作電流(當在某種加熱/冷卻應用中處于驅動狀態時)。

　　在選擇針對發電用途的熱電模塊時，上佳的經驗法則是在給定的尺寸下選擇具有最大(VMAX°IMAX)乘積的模塊。這通常將提供最高的TEG輸出電壓和最低的源電阻。對此經驗法則有一條附加說明，這就是散熱器的尺寸必須根據TEG的尺寸來確定。較大的TEG需要大一些的散熱器來實現最佳的性能。需要注意的是，制造商如果提供了電阻參數的話，那么指的是AC電阻，這是因為它無法使用DC電流以傳統的方式來測量(DC電流會引發Seebeck電壓，從而產生錯誤的電阻讀數)。圖9是一幅曲線圖，給出了采用13種不同的TEG時(固定ΔT=5°C)LTC3108的功率輸出與每個模塊的(VMAX°IMAX)乘積的關系曲線。由圖可見，當VI乘積較高時，LTC3108提供的輸出功率通常也較高。

　　圖9：LTC3108輸出功率與具有不同V和I乘積的TEG關系曲線

　　圖10示出了一個邊長30mm的方形TEG在1°C至20°C的ΔT范圍內輸出電壓及最大輸出功率能力。在該ΔT范圍內，輸出功率從幾百μW到幾十mW不等。需要指出的是：該功率曲線是在假設擁有理想的負載匹配且無轉換損耗的情況下得出的。最后，在利用LTC3108提升至一個較高電壓之后可獲得的輸出功率將由于功率轉換損耗的原因而低于圖中示出的數值。LTC3108的產品手冊中給出了幾幅在多種不同工作條件下可提供輸出功率的曲線圖。

　　圖10：典型TEG的開路電壓及最大功率輸出

　　就給定應用而言，所需要的TEG尺寸取決于可用的最小ΔT、負載所需的最大平均功率、以及用于將TEG的一端保持于環境溫度的散熱器的熱阻。LTC3108的最大功率輸出位于15°W/K-cm2至30°W/K-cm2之間，具體數值取決于所選擇的變壓器匝數比和特定的TEG。表1羅列了一些推薦使用的TEG器件型號。

　　表1:推薦使用的TEG器件

　　7 需要考慮的熱量問題

　　當把一個TEG置于兩個處于不同溫度的面之間時，在加入TEG之前的“開路”溫差高于TEG放置到位時其上的溫差。這是由于TEG本身在其陶瓷板之間具有一個相當低的熱阻(通常為1°C/W至10°C/W)所致。

　　考慮如下的例子，一部大型機器在周圍環境溫度為25°C以及表面溫度為35°C的情況下工作。當將一個TEG連接到這臺機器時，必須同時在TEG溫度較低(環境溫度)的一端加上一個散熱器，否則整個TEG將升溫至接近35°C，從而消除掉所有的溫差。需要牢記一點：電輸出功率正是產生自流過TEG的熱量。

　　在該例中，散熱器和TEG的熱阻確定了總溫差(ΔT)的哪一部分存在于TEG的兩端。該系統的簡單熱模型示于圖11。假定熱源(RS)的熱阻可忽略不計，如果TEG的熱阻(RTEG)為2°C/W，散熱器的熱阻為8°C/W，那么落在TEG上的ΔT僅為2°C。在TEG上的溫度只有區區幾°C的情況下，其輸出電壓很低，此時LTC3108能夠依靠超低輸入電壓工作的重要性就凸顯出來了。

　　圖11：TEG和散熱器的熱阻模型

　　請注意：由于較大的TEG其表面積增大了，所以大型TEG通常比小型TEG熱阻低。因此，在那些于TEG的一端采用了一個較小散熱器的應用中，較大的TEG上的ΔT有可能小于較小的TEG，故而未必會提供更多的輸出功率。無論在何種情況下，都應采用具有盡可能低熱阻的散熱器，以通過最大限度地提高TEG上的溫度差來實現電輸出的最大化。

　　8 選擇最佳的變壓器匝數比

　　對于那些可提供較高溫度差(即較高的輸入電壓)的應用，可以采用一個匝數比較低(例如：1:50或1:20)的變壓器以提供較高的輸出電流能力。作為經驗法則，假如最小輸入電壓在加載時至少為50mV，則建議采用1:50的匝數比。倘若最小輸入電壓至少為150mV，那么就建議使用1:20的匝數比。文中討論的所有匝數比在市面上均有現成可售的Coilcraft器件(包括特定器件型號在內的更多信息請查閱LTC3108的產品手冊)。圖12中的曲線示出了在采用兩種不同的變壓器升壓比及兩種不同尺寸的TEG時，LTC3108在某一溫度差范圍內的輸出功率能力。

　　圖12：對于兩種TEG尺寸及兩種變壓器匝數比的LTC3108輸出功率

　　與T的關系曲線(VOUT=5V)

　　9 脈沖負載應用

　　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2°C的溫差可用，因此選擇1:50的變壓器升壓比，以在2°C至10°CΔT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2°C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。

　　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，2.2VLDO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5°C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=470μF3.3V/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3.3V560μA=1.85mW)除以脈沖期間所需的功率(在本例情況下為3.3V15mA=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+15mA0.01/0.5)=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。

　　10 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2.2VLDO輸出來供電，且總電流消耗小于200μA，只要TEG上至少存在3°C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。

　　圖14：具有后備電池的能量收集器

　　11 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-BussmanPB-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。

　　12 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4mmx4mm20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。

　　圖15：自動極性能量收集器供電的無線傳感器節點

　　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1°C的溫差條件下產生的。在10°C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。