- 能量采集的意義和商業(yè)環(huán)境
- 升壓型轉換器和系統(tǒng)管理器工作簡介
- 利用能量采集電路，將能轉換并調整為下游電路可用的電源形式
- VOUT上的主輸出電壓是用VAUX電源充電
- LTC3108熱能收集和DC/DC升壓型轉換器和系統(tǒng)管理器
眾多低功率工業(yè)傳感器和控制器正在尋求以非傳統(tǒng)能源作為主要或補充性供電源。利用現(xiàn)成的物理電源(例如，熱電發(fā)生器或熱電堆、壓電或機電裝置和光伏器件)來產(chǎn)生電力的換能器正在成為許多應用的適配電源。通過僅使用收集到的能量，眾多無線傳感器、遠程監(jiān)視器和其他低功率應用正在穩(wěn)步成為接近“零”功率的設備(常被有些人稱為“微功率”)。
盡管自2000年初，能量采集就出現(xiàn)了，但是最近的技術發(fā)展已經(jīng)推動其達到了可商業(yè)應用的程度。簡言之，2010年，我們?yōu)槟芰坎杉?ldquo;增長”階段做好了準備。利用能量采集技術開發(fā)的自動化傳感器應用已在歐洲出現(xiàn)，這表明增長階段也許已經(jīng)開始。
得到商業(yè)上的接受
盡管能量采集的概念已經(jīng)出現(xiàn)很多年，但是在真實環(huán)境中的系統(tǒng)部署一直很緩慢，原因是復雜度高和成本昂貴。盡管如此，仍然有一些市場采用了能量采集系統(tǒng)，包括了交通運輸基礎設施、無線醫(yī)療設備、輪胎壓力檢測以及樓宇自動化。就樓宇自動化而言，有了人體感應傳感器、恒溫器和光開關等，系統(tǒng)就用不著通常需要的電源或控制線路，而是使用能量采集系統(tǒng)了。
類似地，采用能量采集技術的無線網(wǎng)絡可以在樓宇中將任意數(shù)量的傳感器連接到一起。當樓宇中沒有人時，通過關閉非必要區(qū)域的電源，可降低供熱、通風和空調(HVAC)以及照明的費用。此外，能量采集電子線路的費用常常低于使用檢測線路的費用，因此采用能量采集技術顯然會有經(jīng)濟收益。
一個典型的能量采集配置或系統(tǒng)(如圖1所示)通常由連接到發(fā)熱源(如HVAC管道)的熱電發(fā)生器(TEG)或熱電堆等免費能量源組成。這些小型熱電設備可以將微小的溫差轉換成電能，然后利用能量采集電路，將這種電能轉換并調整為下游電路可用的電源形式。這些下游的電子線路通常會由某些種類的傳感器、模數(shù)轉換器和超低功率微控制器組成?，F(xiàn)在，這些元件能以電流形式接受收集到的能量，并喚醒一個傳感器，以獲得讀數(shù)或測量結果，然后再通過一個超低功率無線收發(fā)器進行數(shù)據(jù)傳輸。
圖1典型能量采集系統(tǒng)的4個主要方框
在這電路中，除了能量源本身，每個電路系統(tǒng)模塊都受到一些特殊的限制，從而影響了它們在商業(yè)中的應用。低成本、低功率的傳感器和微控制器已經(jīng)上市相當一段時間了，不過只是在最近兩三年，超低功率收發(fā)器才商用化。盡管如此，在這電路中，落后的一直是能量采集器和電源管理器。
電源管理器的現(xiàn)有實施方案是一種低性能分立配置，通常由35個或更多元件組成。這類設計具有低的轉換效率和大的靜態(tài)電流。這兩個缺點導致最終系統(tǒng)性能受到損害。低轉換效率將延長給系統(tǒng)加電所需時間，反過來又延長了獲得傳感器讀數(shù)和發(fā)送該數(shù)據(jù)之間的時間間隔。
新的升壓型轉換器和系統(tǒng)管理器
迄今為止，高集成度DC/DC升壓型轉換器一直比較缺少，這類轉換器可以收集和管理由極低的輸入電壓源提供的多余能量。不過，LTC3108極大地簡化了收集和管理由極低輸入電壓源提供的多余能量的任務。其升壓型拓撲在輸入電壓低至20mV時仍能正常運行。這具有重大意義，因為它允許LTC3108從低至1℃的溫度變化中收集TEG提供的能量。
圖2所示電路運用一個小型升壓型變壓器來提高LTC3108輸入電壓源輸入的電壓，而LTC3108為無線檢測和數(shù)據(jù)采集提供一個完整的電源管理解決方案。
圖2在無線遠程傳感器應用中使用的LTC3108
LTC3108使用了一個耗盡型N溝道MOSFET開關，以一個外部升壓型變壓器和一個小的耦合電容器構成一個諧振升壓型振蕩器。這使它能夠將一個低至20mV的輸入電壓升至足夠高的電平，以提供多個用于給其他電路供電的已調輸出電壓。振蕩頻率由變壓器副端繞組的電感決定，典型值在20～200kHz之內(nèi)。
就低至20mV的輸入電壓而言，建議使用約1:100的主副端匝數(shù)比。對于更高的輸入電壓來說，可以使用較低的匝數(shù)比。這些變壓器是標準和現(xiàn)成有售的元件，可以輕而易舉地從磁性元件供應商那里得到。我們的復合耗盡型N溝道MOSFET就能實現(xiàn)20mV輸入電壓。
LTC3108采用一種“系統(tǒng)級”方法來解決復雜的問題。它可以轉換低壓電源，并管理多個輸出之間的電能。用一個外部充電泵電容器和LTC3108內(nèi)部的整流器能實現(xiàn)對變壓器副端繞組上產(chǎn)生的AC電壓的升壓和整流。這個整流器電路將電流饋送至VAUX引腳，從而向外部VAUX電容器，然后是其他輸出提供電荷。
內(nèi)部2.2V的LDO可以支持一個低功率處理器或其他低功率IC。該LDO由VAUX或VOUT中較高的一個供電。這使它在VOUT存儲電容器仍然在充電時，當VAUX一充電到2.3V時就開始工作。倘若LDO輸出上出現(xiàn)階躍負載，如果VAUX降至低于VOUT，電流就可能來自主VOUT電容器。該LDO輸出可以提供高達3mA的電流。
VOUT上的主輸出電壓是用VAUX電源充電的，用戶利用電壓選擇引腳VS1和VS2，可將其編程至4個穩(wěn)定電壓之一。4個固定的輸出電壓是：用于超級電容器的2.35V、用于標準電容器的3.3V、用于鋰離子電池終止的4.1V和用于更高能量存儲和主系統(tǒng)軌為無線發(fā)送器或傳感器供電的5V，因此無須幾mΩ的外部電阻器。結果，LTC3108不需要像分立式設計那樣要用特殊的電路板涂層來最大限度地降低泄漏(例如，分立式設計需要電阻值很大的電阻器)。
第二個輸出VOUT2可以由主微處理器利用VOUT2_EN引腳來接通和斷開。啟動后，VOUT2通過一個P溝道MOSFET開關連接到VOUT。這個輸出可以用來給外部電路（沒有低功率休眠或停機功能的傳感器或放大器等）供電。
VSTORE電容器可以具有非常大的電容值(幾千μF甚至幾F)，以在有可能失去輸入電源的時候提供保持作用。一旦上電操作完成，則主輸出、備用輸出和開關輸出均可使用。如果輸入電源發(fā)生故障，則操作仍然能夠借助VSTORE電容器的供電而得以持續(xù)。VSTORE輸出可用于在VOUT達到穩(wěn)壓狀態(tài)之后對一個大存儲電容器或可再充電電池進行充電。在VOUT達到穩(wěn)壓狀態(tài)以后，將允許VSTORE輸出充電至高達VAUX電壓(該電壓被鉗位于5.3V)。VSTORE上的電能存儲元件不僅能夠在失去輸入電源的情況下用于給系統(tǒng)供電，而且還能夠在輸入電源所具備的能量不足時用于補充VOUT、VOUT2和LDO輸出所需要的電流。
模擬開關模式電源設計人才在全世界都處于短缺狀態(tài)的局面，設計一個如圖1所示的有效能量采集系統(tǒng)一直很難。不過，隨著LTC3108熱能收集和DC/DC升壓型轉換器和系統(tǒng)管理器的推出，這種情況將徹底改變。這個器件可以從太陽能電池、熱電發(fā)生器或其他類似熱源抽取能量。此外，該器件具有全面的功能并易于設計，極大地簡化了能量采集鏈條上難以進行的電源轉換設計。
