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超低壓轉換器推動熱電源能量採集的發展
 

【作者: Tony Armstrong 及 Dave Salerno】   2013年06月24日 星期一

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背景

用於測量和控制用途的超低功率無線感測器節點正在大量增加,這種情況與新的能量採集技術相結合,已經使產生完全自主運行的系統成為可能,亦即,由周圍環境中的能源,而不是電池供電的系統。用周圍環境中的能源或“免費”能源給無線感測器節點供電這種方法很有吸引力,因為這種方法可以對電池電源產生補充作用,或者完全不再需要電池或導線。當更換電池或電池維護不方便、昂貴或危險時,這種方法具有顯然的優勢。


完全不用導線還使其能簡易大規模擴展監視和控制系統。能量採集無線感測器系統在各式領域簡化了安裝和維護,例如大樓自動化、無線/自動讀表和預測性維護、以及其他無數的工業、軍事、汽車和消費類應用。能量採集的好處很明顯,但是有效的能量採集系統需要一種聰明的電源管理方法,以將極其微量的免費能源轉換成無線感測器系統可用的形式。


一切都歸結為工作週期問題

很多無線感測器系統都消耗非常低的平均功率,因此成為了用能量採集方法供電的首選系統。很多感測器節點都用來監視變化緩慢的物理量。因此,不需經常進行測量和發送測量結果,這使得系統可以很低的工作週期運作,相對地,平均功率需求也很低。例如,如果一個感測器系統在喚醒時需要 3.3V/30mA (100mW),但每秒鐘僅有 10ms 處於工作狀態,那麼假定在發送突發資料中的非工作狀態,感測器系統的電流降至幾微安培,則所需的平均功率僅為 1mW。如果同樣的無線感測器每分鐘、而不是每秒鐘僅採樣和發送一次,那麼平均功率就會降至不到 20μW。這種差別非常重要,因為大多數能量採集方法提供的穩定狀態功率都非常低,通常不高於幾毫瓦,在有些情況下僅為幾微瓦。應用所需的平均功率越低,就越有可能用採集的能量供電。


能量採集來源

最常見的可採集能源是振動 (或運動)、光和熱。所有這些能源的換能器都有 3 個共同特點:


1. 電輸出是不穩定的,不適合直接用來為電子電路供電


2. 也許不能提供連續的、不間斷的電源


3. 一般產生非常低的平均輸出功率,通常在 10μW 至 10mW 範圍


如果要用這些能量源來給無線感測器或其他電子產品供電,那麼因應上述特點要求,就要進行審慎的電源管理。


電源管理:能量採集中缺少的環節

由採集能量供電的典型無線感測器系統可以劃分成 5 個基本組成部分,如圖 1 所示。除了電源管理部分,其他所有部分通常都問市有一段時間了。例如,以毫瓦功率運行的微處理器、小型和經濟實惠的 RF 發送器、以及消耗非常低功率的收發器都可以廣泛地得到。低功率類比和數位感測器也是無處不在。



圖一 : 典型無線感測器系統組態
圖一 : 典型無線感測器系統組態

在實現這種能量採集系統鏈路時,缺失的一環始終是可以依靠一個或多個常見免費能源工作的功率轉換器/ 電源管理元件。能量採集的理想電源管理解決方案應具有小巧、易用的特點,在採用由常見的能量採集源產生的異常高或低電壓工作時良好地運行,並在理想的情況下提供與源阻抗的最佳負載匹配以實現最佳的功率傳輸。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式零組件的情況下產生穩定的輸出電壓。


有些應用 (例如: 無線 HVAC 感測器或地熱供電的感測器) 為能量採集電源轉換器帶來了另一種獨特的挑戰。這類應用要求能量採集電源管理器不僅能用非常低的輸入電壓工作,而且能隨著熱電產生器 (TEG) ?T 極性的變化,用任一極性的電壓工作。這是一個非常具有挑戰性的問題,在數十或數百毫伏電壓情況下,二極體橋型整流器不是一個可行的選擇。


LTC3109 採用 4mm x 4mm x 0.75mm 20 接腳 QFN 或 20 接腳 SSOP 封裝,解決了任一極性超低輸入電壓源的能量採集問題。該元件能以低至 ±30mV 的輸入電壓工作,提供了精小、簡單、高度整合的單晶電源管理解決方案。這種獨特能力使該元件能用 TEG 為無線感測器供電,而 TEG 可從低至 2°C 的溫度差 (?T) 中採集能量。運用兩個小型 (6mm x 6mm) 現成的降壓變壓器和少數低成本電容器,該元件提供今日無線感測器電子產品所必需的穩定輸出電壓。


LTC3109 運用這些降壓變壓器和內部 MOSFET 形成一個諧振振盪器,該振盪器能用非常低的輸入電壓工作。運用 1:100 的變壓比,該轉換器能以低至 30mV 的輸入啟動,而無論電壓是哪種極性。變壓器副端繞組向充電泵和整流電路饋送電壓,以給該 IC 供電 (透過 VAUX 接腳),並給輸出電容器充電。2.2V LDO 輸出設計為首先穩定,以儘快為低功率微處理器供電。之後,主輸出電容器被充電至透過 VS1 和 VS2 接腳設定的電壓 (2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V),以為感測器、類比電路、RF 收發器供電,甚至為超級電容器或電池充電。當無線感測器工作並發送資料時,VOUT 儲存電容在低工作週期比負載脈衝期間提供突發能量。另外,還提供開關輸出 (VOUT2),以為沒有關機或低功率休眠模式的電路供電,該開關輸出很容易透過主元件控制。還包括一個電源良好輸出以提醒主元件,主輸出電壓接近其穩定值了。圖 2 顯示了 LTC3109 的電路原理圖。



圖二 : 適用於單極性輸入工作方式的 LTC3109 原理圖
圖二 : 適用於單極性輸入工作方式的 LTC3109 原理圖

一旦 VOUT 充電到穩定狀態,則採集的電流就轉而進入 VSTORE 接腳,以給可選的大型儲存電容或可再充電電池充電。如果能量採集電源處於間歇狀態,那麼這種儲存單元可用來保持穩定或為系統供電。VAUX 接腳上的並聯穩壓器防止 VSTORE 充電至高於 5.3V。運用一個典型的 40mm2 TEG,LTC3109 可以用低至 2°C 的 ?T 工作,從而使該元件適用於多種能量採集應用。較大的 ?T 使 LTC3109 能提供更大的平均輸出電流。該轉換器的輸出電流隨 VIN 變化的曲線如圖 3 所示,這條曲線說明 LTC3109 用任一極性的輸入電壓都能發揮良好作用。



圖三 : LTC3109 輸出電流隨輸入電壓的變化
圖三 : LTC3109 輸出電流隨輸入電壓的變化

熱電產生器

熱電發生器(TEG) 其實就是熱電模組,它利用塞貝克(Seebeck) 效應將設備上的溫差(以及由於溫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) 則是透過施加電壓而產生溫差,並為熱電冷卻器(TEC) 所慣用。輸出電壓的極性取決於TEG 兩端溫差的極性。如果TEG 的熱端和冷端掉換過來,那麼輸出電壓就將改變極性。


TEG 由採用電串聯連接並夾在兩塊導熱陶瓷板之間的N型摻雜和P型摻雜半導體晶片對或偶所構成。最常用的半導體材料是碲化鉍(Bi2Te3)。圖 4 顯示 TEG 的機械構造。



圖四 : TEG 的典型機械構造
圖四 : TEG 的典型機械構造

有些製造商將 TEG 與 TEC 區分開來。當作為TEG 銷售時,通常意味著用於裝配模組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,因而能夠提供高於標準TEC (其最大溫度通常限制在125°C) 的輸出功率。大多數低功率能量採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。大多數常見的模組都是方形的,每邊的長度從10mm到50mm不等,厚度一般為2mm~5mm。


對於一個給定的ΔT (與塞貝克係數成比例),TEG 將產生多大的電壓受控於諸多的變量。其輸出電壓為每K 溫差10mV 至50mV (取決於電偶的數目),並具有0.5Ω 至10Ω 的源電阻。一般而言,對於給定的ΔT,TEG 所擁有的串聯電偶越多,其輸出電壓就越高。然而,增加電偶的數目同時也將增加TEG 的串聯電阻,從而導致在加載時產生較大的壓降。製造商可以透過調整個別半導體晶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一個較高的輸出電壓。在選擇TEG 並使其與散熱器相匹配的過程中,TEG 的熱阻是另一個需要考慮的因素。


負載匹配

為了從任何電壓源汲取最大功率,負載阻抗必須與電源的內阻匹配。圖 5 所示的例子說明此點,在該例中,開路電壓為 100mV、電源阻抗為 1? 或 3? 的電壓源驅動一個負載電阻器。



圖五 : ???源??阻性??的?化原理?
圖五 : ???源??阻性??的?化原理?

圖 6 顯示了提供給負載的功率,該功率是負載電阻的函數。在每條曲線中都可以看到,當負載電阻與電源電阻匹配時,提供給負載的功率最大。



圖六 : 電源的輸出功率是負載電阻的函數
圖六 : 電源的輸出功率是負載電阻的函數

LTC3109 對輸入電源呈現出 2.5? 的最小輸入電阻。(請注意,這是轉換器的輸入電阻,而不是該 IC 本身的輸入電阻。) 這一電阻值落在大多數 TEG 電源電阻範圍的中間部份,從而提供了良好的負載匹配,以實現接近最佳的功率傳遞。LTC3109 設計為: 隨著 VIN 下降,輸入電阻增大。這一特點允許 LTC3109 很好地適應具不同源電阻的 TEG。


為發電選擇 TEG

大多數熱電模組製造商都不提供輸出電壓或輸出功率隨溫差變化的資料,而這正是熱能採集器設計者想見的。其他一些可能有用的 TEG 參數是電氣 (AC) 電阻和熱阻。製造商也不永遠提供這些參數。總是提供的兩個參數是 VMAX 和 IMAX,這是特定模組 (當受到加熱 / 冷卻應用驅動時) 的最大工作電壓和最大工作電流。VMAX 除以 IMAX 將得到該模組電阻的近似值。


如果有大量熱流可用,那麼在 TEG 的一側可以提供充分的散熱,為發電而選擇熱電模組時,一個良好的經驗法則是,就給定尺寸而言,選擇 (VMAX * IMAX) 之積最大的模組。這樣選擇以後,一般能提供最高的 TEG 輸出電壓和最低的電源電阻。使用這個經驗法則時,有一點需要提醒的是,散熱片的尺寸必須按照 TEG 的大小確定。為了實現最佳性能,較大的 TEG 需要較大的散熱片。請注意,電阻如果已給定,那麼給定的是 AC 電阻,因為利用傳統方法,該電阻無法用 DC 電流測量,DC 電流會產生席貝克電壓,而該電壓又會導致錯誤的電阻讀數。就可用熱流有限和 / 或必須使用較小散熱片的應用而言,最好選擇其熱阻與最大可用散熱片匹配的 TEG 。


圖 7 顯示,在 1°C 至 20°C 的 ?T 範圍內,一個 30mm2 的 TEG 之輸出電壓和最大輸出功率。在這一溫差範圍內,輸出功率從數百微瓦變化到數十毫瓦。注意功率曲線假設一個理想負載匹配並且沒有轉換損耗。最終,由 LTC3109 將其升高到更高的電壓後,由於電源轉換損失,可用輸出功率會變小。LTC3109 的資料錶針對幾種不同工作條件,提供了幾條可用輸出功率曲線。



圖七 : 採用一個 30mm2 TEG 時的開路電壓和最大功耗
圖七 : 採用一個 30mm2 TEG 時的開路電壓和最大功耗

就給定應用而言,所需 TEG 的尺寸取決於最小可用 ?T、負載所需的最大平均功率以及用來保持 TEG 一側處於環境溫度的散熱器熱阻。


熱考量

當在溫度不同的兩個表面之間放置一個 TEG 時,加入 TEG 之前的“開路”溫差高於放置 TEG 之後 TEG 兩側的溫差。這是因為, TEG 本身的兩個面板之間有相當低的熱阻 (典型值為 1°C/W 至 10°C/W)。


例如,考慮以下情況,一個正在運行的大型機器之表面溫度為 35°C,周圍環境溫度為 25°C。將一個 TEG 安裝到該機器時,必須為該 TEG 溫度較低 (環境溫度) 的一側增加散熱片,否則,整個 TEG 會受熱升高到接近 35°C,從而消除了任何溫度差。請記住,輸出電功率是透過 TEG 的熱流產生的。


在這個例子中,散熱片和 TEG 的熱阻決定,在 TEG 兩側總共存在多大的 ?T。該系統的簡單熱模型如圖 8 所示。



圖八 : TEG 和散熱片的熱阻模型
圖八 : TEG 和散熱片的熱阻模型

假定熱源的熱阻 (RS) 可以忽略不計,TEG 的熱阻 (RTEG) 為 6°C/W,散熱片的熱阻為 6°C/W,那麼 TEG 上產生的 ?T 僅為 5°C。從一個其上僅有幾度溫差的 TEG 僅能產生很低的輸出電壓,這凸顯了 LTC3109 能用超低輸入電壓工作所具有的重要性。


請注意,與較小的 TEG 相較時,較大的 TEG 因為表面積較大,所以通常有較低的熱阻。因此,在應用中,若在 TEG 一側使用相對較小的散熱片,那麼與較小的 TEG 相較時,較大的 TEG 上的 ?T 將較小,因此也許未必提供更大的輸出功率。在任何情況下,使用具最低熱阻的散熱片,都能透過將TEG 上的溫差提到最高,而將電輸出達到最大。


對於有較大溫差 (即較高的輸入電壓) 可用的應用而言,匝數比較小的變壓器 (例如 1:50 或 1:20) 可用來提供較大的輸出電流。作為一個一般性的規則,在有負載情況下,如果最低輸入電壓至少為 50mV,那麼建議使用 1:50 的匝數比。如果最低輸入電壓至少為 150mV,那麼建議使用 1:20 的匝數比。


具電池備份的超低功率應用

有些應用是連續運行的。這類應用傳統上由小型主電池供電 (例如 3V 鋰離子硬幣形電池)。如果功率需求足夠低,那麼這類應用可以靠熱量採集連續供電,或者可以利用熱量採集來極大地延長電池壽命,從而降低維護成本。當所有電子產品消耗的功率低於能量採集電源能提供的功率時,只要 TEG 上存在溫差,LTC3109 能連續為負載供電。在這種情況下,電池上沒有負載。當採集的能量不夠用時,備份電池無縫地加入,並為負載供電。


結論

LTC3109 能獨特地以低至 ±30mV 的輸入電壓工作,提供了一種簡單和高效的電源管理解決方案,該解決方案使得能從常見的熱電元件利用熱能採集為無線感測器以及其他低功率應用供電。LTC3109 採用 20 接腳 QFN 或 SSOP 封裝,提供前所未有的低壓能力和高整合度,以將方案尺寸縮減到最小。LTC3109 與現有低功率基本元件無縫連接,以支援自主工作的無線感測器,並在關鍵電池備份應用中延長電池壽命。


(本文由Linear提供;作者Tony Armstrong為Linear電源產品行銷總監)


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