《電子技術(shù)應(yīng)用》
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超低電壓能量收集器利用廢熱為無線傳感器供電
摘要: 在替換或維護(hù)電池不方便或危險(xiǎn)時,,這顯然是有好處的。由收集能量供電的傳感器節(jié)點(diǎn)可以在樓宇自動化,、無線/自動測量,、前瞻性維護(hù)和其他很多工業(yè),、軍事、汽車和消費(fèi)類應(yīng)用中使用,。能量收集的好處是顯而易見的,,但是有效的能量收集系統(tǒng)需要智能電源管理電路,以將微量免費(fèi)能量轉(zhuǎn)換成無線傳感器系統(tǒng)可使用的形式。
Abstract:
Key words :

測量和控制所需的超低功率無線傳感器" title="無線傳感器">無線傳感器用量的激增,,再加上新型能量采集技術(shù)的運(yùn)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)出現(xiàn)了。


在替換或維護(hù)電池不方便或危險(xiǎn)時,,這顯然是有好處的,。由收集能量供電的傳感器節(jié)點(diǎn)" title="傳感器節(jié)點(diǎn)">傳感器節(jié)點(diǎn)可以在樓宇自動化、無線/自動測量,、前瞻性維護(hù)和其他很多工業(yè)、軍事,、汽車和消費(fèi)類應(yīng)用中使用,。能量收集" title="能量收集">能量收集的好處是顯而易見的,但是有效的能量收集系統(tǒng)需要智能電源管理電路,,以將微量免費(fèi)能量轉(zhuǎn)換成無線傳感器系統(tǒng)可使用的形式,。

歸根結(jié)底是占空比問題
很多無線傳感器系統(tǒng)消耗非常低的平均功率,從而成為由收集的能量供電的主要對象,。因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)常常用來監(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(diǎn)是以非常低的占空比工作的,。相應(yīng)地,平均功率需求也很小,。例如,,如果一個傳感器系統(tǒng)在工作時需要3.3V/30mA(100mW),但是每10s僅有10ms時間在工作,,那么所需平均功率僅為0.1mW,,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,。

電源管理:迄今為止在能量收集中仍然缺失的一環(huán)
僅消耗μW功率的微處理器和模擬傳感器以及小型,、低成本、低功率RF收發(fā)器得到了廣泛采用,。在實(shí)現(xiàn)實(shí)際的能量收集系統(tǒng)時,,缺失的一環(huán)始終是可以靠一個或多個常見免費(fèi)能源工作的電源轉(zhuǎn)換器/電源管理構(gòu)件。LTC3108能在輸入電壓低至20mV時啟動,,為熱能收集補(bǔ)上了缺失的這一環(huán),。LTC3108采用3mm×4mm×0.75mm 12引腳DFN或16引腳SSOP封裝,為用熱電發(fā)生器(TEG),,以低至1℃的溫度差(ΔT)給無線傳感器供電提供了一個緊湊,、簡單和高度集成的電源管理解決方案。


如圖1所示,LTC3108用一個小的升壓型變壓器和一個內(nèi)部MOSFET形成一個諧振振蕩器,。變壓器的升壓比為1:100時,,該轉(zhuǎn)換器能以低至20mV的輸入電壓啟動。變壓器的次級繞組向充電泵和整流器電路饋送電壓,,然后給該IC供電,,并給輸出電容器充電。2.2V LDO的輸出設(shè)計(jì)成首先進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),,以盡快給微處理器供電,;然后,給主輸出電容器充電至由VS1和VS2引腳設(shè)定的電壓(2.35V,、3.3V,、4.1V或5.0V),以給傳感器,、模擬電路或RF收發(fā)器供電,。當(dāng)無線傳感器工作并發(fā)送數(shù)據(jù)因而出現(xiàn)低占空比負(fù)載脈沖時,VOUT存儲電容器提供所需的突發(fā)能量,,還提供一個開關(guān)輸出(VOUT2),,以給沒有停機(jī)或休眠模式的電路供電。一旦VOUT進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),,那么所收集的電流就被導(dǎo)向VSTORE引腳,,以給可選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,,那么這個存儲組件就可用來給系統(tǒng)供電,。還有一個LTC3108-1版本的器件,除了提供一套不同的可選輸出電壓(2.5V,、3.0V,、3.7V或4.5V)以外,與LTC3108完全相同,。

圖1  LTC3108方框圖

熱電發(fā)生器的基本原理
熱電發(fā)生器(TEG)其實(shí)就是逆向工作的熱電冷卻器(TEC),。熱電發(fā)生器應(yīng)用席貝克效應(yīng)(Seebeck Effect),將設(shè)備(通過該設(shè)備產(chǎn)生熱量流動) 上的溫度差轉(zhuǎn)換成電壓,。輸出電壓的幅度和極性取決于 TEG 上溫度差的幅度和極性,。如果 TEG的熱端和冷端掉換過來,那么輸出電壓就改變極性,。TEG可以用一個受溫度影響的電壓源模型加一個串聯(lián)電阻(規(guī)定為AC電阻)來代表,。


TEG的尺寸和電氣規(guī)格多種多樣。大多數(shù)模組都是方形的,,每邊的長度從10~50mm不等,,標(biāo)準(zhǔn)厚度為2~5mm。它們的開路輸出電壓視尺寸不同而不同,范圍為10~50mV/K,。一般而言,,對于給定的ΔT,較大的模組可提供較大的VOUT,,但是有更高的AC阻抗和更低的熱阻" title="熱阻">熱阻,。就給定應(yīng)用而言,所需要的TEG大小取決于可用的ΔT,、負(fù)載需要的最大平均功率,,以及用來冷卻TEG一側(cè)的散熱器熱阻。


為了從TEG抽取可獲得的最大功率,,轉(zhuǎn)換器輸入阻抗必須相對于TEG AC電阻提供合理的負(fù)載匹配,。LTC3108轉(zhuǎn)換器呈現(xiàn)約2.5Ω的輸入阻抗,這剛好在大多數(shù)TEG AC電阻(0.5~7.5Ω)范圍的中間,。

需要考慮的熱量問題
當(dāng)在一個溫暖的表面放置TEG以收集能量時,必須給TEG溫度較低的一側(cè)增加散熱器,,以允許熱量傳送到周圍空氣中,。由于散熱器的熱阻,在TEG上呈現(xiàn)的ΔT將低于溫暖表面和環(huán)境之間的溫度差,,因?yàn)門EG具有相對較低的熱阻(典型情況下在1~20℃/W范圍內(nèi)),。


如圖2所示的簡單熱模型,考慮如下例子,,一個大型機(jī)器在周圍環(huán)境溫度為25℃,、表面溫度為35℃的情況下工作。將一個TEG連接到這臺機(jī)器上,,同時在TEG溫度較低(環(huán)境溫度)的一側(cè)加上一個散熱器,。

圖2 TEG和散熱器簡單的熱模型


散熱器和TEG的熱阻確定了10℃總溫差(ΔT)的哪一部分存在于TEG的兩端。假定熱源(RS)的熱阻可忽略不計(jì),,如果TEG的熱阻(RTEG)為4℃/W,,散熱器的熱阻(RHS)也為4℃/W,那么落在TEG上的ΔT僅為5℃,。


由于較大的TEG表面積增大了,,所以大型TEG比小型TEG熱阻低,因此需要較大的散熱器,。在受到尺寸或成本限制而必須使用相對較小的散熱器的應(yīng)用中,,較小的TEG也許比大型TEG提供更多的輸出功率。熱阻不大于TEG熱阻的散熱器可最大限度地提高TEG上的溫度差,,因此能最大限度地提高電輸出,。

脈沖負(fù)載應(yīng)用設(shè)計(jì)例子
由TEG供電的典型無線傳感器應(yīng)用如圖3所示。在這個例子中,TEG上至少有4℃的溫差可用,,因此選擇1:50的變壓器升壓比,,以實(shí)現(xiàn)最高的輸出功率。

圖3 無線傳感器應(yīng)用例子


LTC3108提供一個典型的無線傳感器所需的多個輸出,。2.2V LDO輸出給微處理器供電,,而VOUT利用VS1和VS2引腳設(shè)定到3.3V,以給RF發(fā)送器供電,。開關(guān)VOUT(VOUT2)由微處理器控制,,以僅在需要時給3.3V傳感器供電。當(dāng)VOUT達(dá)到穩(wěn)定值的93%時,,PGOOD輸出向微處理器發(fā)出指示信號,。為了在輸入電壓不存在時保持工作,在后臺從VSTORE引腳給0.1F存儲電容器充電,。這個電容器可以充電至高達(dá)VAUX并聯(lián)穩(wěn)壓器的5.25V鉗位電壓,。如果失去輸入電壓源,那么就自動由存儲電容器提供能量,,以給該IC供電,,并保持VLDO和VOUT的穩(wěn)定。


根據(jù)以下公式確定COUT存儲電容器的大小,,以在10ms的持續(xù)時間內(nèi)支持15mA的總負(fù)載脈沖,,從而在負(fù)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(fù)載,,但充電電流未包括在內(nèi),因?yàn)榕c負(fù)載相比,,它可能非常小,。
 (1)
考慮到這些要求,COUT至少為454μF,,因此選擇了一個470μF的電容器,。


采用所示TEG(以及大小合適的散熱器),在ΔT為5K時工作,,那么LTC3108在3.3V時提供的平均充電電流約為560μA,。用這些數(shù)據(jù),我們可以計(jì)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頻度發(fā)送脈沖。假定充電階段VLDO和VOUT上的負(fù)載非常小,,那么VOUT最初的充電時間為:
      (2)
假定發(fā)送脈沖之間的負(fù)載電流非常小,,那么一種簡單估計(jì)最大發(fā)送速率的方法是,,用從LTC3108可獲得的平均輸出功率(在本例情況下為3.3V×560μA=1.85mW)除以脈沖期間所需功率 (在本例情況下為3.3V×15mA=49.5mW)。收集器可以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(fā)送速率為0.01/0.037=0.27s或約為3.7Hz,。


請注意,如果平均負(fù)載電流(如發(fā)送速率所決定的那樣)是收集器所能支持的最大電流,,那么會沒有剩余的收集能量給存儲電容器充電,。因此,在這個例子中,,發(fā)送速率設(shè)定為2Hz,,從而留出幾乎一半的可用能量給存儲電容器充電。VSTORE電容器提供的存儲時間利用以下公式計(jì)算:
     (3)

圖4 自動極性應(yīng)用例子


上述計(jì)算包括LTC3108所需的6μA靜態(tài)電流,,而且假定發(fā)送脈沖之間的負(fù)載極小,。一旦存儲電容器達(dá)到滿充電狀態(tài),它就能以2Hz的發(fā)送速率支持負(fù)載637s,,或支持總共1274個發(fā)送脈沖,。

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