《电子技术应用》

一种无线传感器的能量收集的实现

摘要: 测量和控制所需的超低功率无线传感器节点的激增,再加上新型能量收集技术的运用,使得由局部环境能量而非电池供电的全自主型系统成为可能。

Abstract:

      测量和控制所需的超低功率无线传感器节点的激增,再加上新型能量收集技术的运用,使得由局部环境能量而非电池供电的全自主型系统成为可能。

  能量收集无线传感器系统简化了众多领域中的安装和维护工作。

  能量收集的好处是显而易见的,不过,有效的能量收集系统需要使用智能型的电源管理方案,以把微弱的免费能量转换为一种无线传感器系统可以使用的形式。

  1 归根到底是占空比的问题

  许多无线传感器系统的平均功率消耗非常之低,从而使其成为可利用能量收集技术进行供电的主要候选对象。很多传感器节点用于监视缓慢变化的物理量。所以可以不经常进行测量,也不需要经常发送测量数据,因此传感器节点是以非常低的占空比工作的。相应地,平均功率需求也很低。

  例如:若一个传感器系统处于唤醒状态时的需要3.3V/30mA(100mW)的功率,但在每秒时间里只运行10ms,那么其所需的平均功率仅为1mW,假定在传送突发的间隔期间不工作时,传感器系统电流降至数μA。倘若这个无线传感器只是每分钟(而不是每秒钟)进行一次采样和传送,则平均功率将骤降至20μW以下。由于大多数形式的能量收集均提供非常小的稳态功率(通常只有几mW,有时甚至仅几μW),因此这种功率需求量的差异是很重要的。应用所需的平均功率越低,就越有可能采用收集能量来供电。

  2 能量收集源

  可供收集的最常见能量源是振动(或运动)、光和热。用于所有这些能量源的换能器都具有以下的共同特性:

  a 它们的电输出未经稳压且不适合直接用于给电子电路供电

  b 它们可能无法提供一个连续和不间断的电源

  c 它们往往只产生非常低的平均输出功率(通常在10μW至10mW)

  如果想把此类能量源用于给无线传感器或其他电子线路供电,就必需针对上述特性进行明智而审慎的电源管理。

  3 电源管理:迄今为止在能量收集中仍然缺失的一环

  由收集能量供电的典型无线传感器系统可分解为5个基本构件,如图1所示。除了电源管理构件之外,所有这些构件成都已经用了有一段时间。比如:运行功率仅数μW的微处理器以及功耗同样非常之低、具成本效益的小型射频(RF)发送器和收发器已被广泛使用。低功率的模拟和数字传感器也是无处不在。

  

 

  在实现这种能量收集系统链路时,缺失的一环始终是可以靠一个或多个常见免费能源工作的功率转换器/电源管理构件。能量收集的理想电源管理解决方案应具有小巧和易用的特点,在依靠由常见的能量收集源产生的异常高或低电压工作时良好地运行,并在理想的情况下提供与源阻抗的上佳负载匹配以实现最优的功率传输。电源管理器本身在管理累积能量时所需消耗的电流必须非常小,且应在使用极少分立组件的情况下产生稳定的输出电压。

  采用3mmx4mmx0.75mm12引脚DFN封装或16引脚SSOP封装的LTC3108解决了超低输入电压应用的能量收集问题。该器件提供了一款紧凑、简单和高度集成的单片式电源管理解决方案,能在输入电压低至20mV的情况下正常运作。凭借这种独特的能力,LTC3108可利用一个热电发生器(TEG)来为无线传感器供电,并从小至1°C的温度差(ΔT)收集能量。采用一个现成有售的小型(6mmx6mm)升压变压器和少量的低成本电容器,该器件即可提供用于给当今的无线传感器电子线路供电所需的稳定输出电压。

  LTC3108采用一个小的升压型变压器和一个内部MOSFET形成一个谐振振荡器,可依靠非常低的输入电压来工作。变压器的升压比为1:100时,该转换器能以低至20mV的输入电压启动。变压器的副端绕组向充电泵和整流器电路馈送电压,此电压随后用于给该IC供电(通过VAUX引脚),并给输出电容器充电。2.2VLDO的输出设计成首先进入稳定状态,以尽快给一个低功率微处理器供电。然后,将主输出电容器充电至由VS1和VS2引脚设置的电压(2.35V、3.3V、4.1V或5.0V),用于给传感器、模拟电路、RF收发器供电,甚至给超级电容器或电池充电。当无线传感器工作并发送数据因而出现低占空比负载脉冲时,VOUT存储电容器提供所需的突发能量。另外还提供了一个可由主机轻松加以控制的开关输出(VOUT2),以给不具备停机或低功率睡眠模式的电路供电。该器件具有一个电源良好输出,用于在主输出电压接近其稳定值时向主机发出警示信号。图2示出了LTC3108的方框图。LTC3108-1版本的器件除了提供一组不同的可选输出电压(2.5V、3.0V、3.7V或4.5V)以外,其他则与LTC3108完全相同。

  

LTC3108的方框图

 

  图2:LTC3108的方框图

  一旦VOUT充电并进入稳定状态,那么所收集的电流就被导向VSTORE引脚,以给一个可任选的大型存储电容器或可再充电电池充电。如果能量收集电源是间歇性的,那么这个存储元件就可用来保持稳压状态并给系统供电。上电及断电期间的输出电压排序可见于图3。VAUX引脚上的一个并联稳压器可防止VSTORE被充电至5.3V以上。

  

 

  图3:上电及断电期间的电压排序

  采用一个边长40mm的标准方形TEG,LTC3108能依靠低至1°C的ΔT来工作,从而使其适用于众多的能量收集应用。在ΔT较高的情况下,LTC3108将能够提供一个较高的平均输出电流。4 热电发生器的基本原理

 

  热电发生器(TEG)其实就是热电模块,它利用塞贝克(Seebeck)效应将设备上的温度差(以及由于温度差所导致的流过设备的热量)转换为电压。这一现象的逆过程(被称为帕尔帖[Peltier]效应)则是通过施加电压而产生温度差,并为热电冷却器(TEC)所惯用。输出电压的极性取决于TEG两端温度差的极性。如果TEG的热端和冷端掉换过来,那么输出电压就将改变极性。

  TEG由采用电串联连接并夹在两块导热陶瓷板之间的N型掺杂和P型掺杂半导体芯片对或偶所构成。最常用的半导体材料是碲化铋(Bi2Te3)。图4示出了TEG的机械构造。

  

 

  图4:TEG的构造

  有些制造商将TEG与TEC区分开来。当作为TEG销售时,通常意味着用于装配模块内部电偶的焊料具有较高的熔点,故可在较高的温度和温差条件下工作,因而能够提供高于标准TEC(其最大温度通常限制在125°C)的输出功率。大多数低功率能量收集应用不会遇到高温或高温差的情况。

  TEG的尺寸和电气规格多种多样。大多数常见的模块都是方形的,每边的长度从10mm到50mm不等,厚度一般为2mm~5mm。

  对于一个给定的ΔT(与塞贝克系数成比例),TEG将产生多大的电压受控于诸多的变量。其输出电压为10mV/K至50mV/K温差(取决于电偶的数目),并具有0.5Ω至5Ω的源电阻。一般而言,对于给定的ΔT,TEG所拥有的串联电偶越多,其输出电压就越高。然而,增加电偶的数目也会增加TEG的串联电阻,从而导致在加载时产生较大的压降。制造商可以通过调整个别半导体芯片的尺寸和设计对此进行补偿,以在保持低电阻的同时仍然提供较高的输出电压。

  5 负载匹配

  为了从任意电压电源吸取可获得的最大功率,负载电阻必须与电源的内阻相匹配。图5中的实例说明了这一点,此处,一个具有100mV开路电压和1Ω或3Ω源电阻的电压电源用于驱动一个负载电阻器。图6示出了输送至负载的功率与负载电阻的函数关系。在每一根曲线中都可以看出:当负载电阻与源电阻匹配时,输送至负载的功率达到最大。不过,当源电阻低于负载电阻时,输送的功率也许并非可能的最大值,而是比一个较高的源电阻驱动一个匹配负载时(本例中为0.8mW)更高(本例中为1.9mW),注意到这一点同样很重要。选择具有最低电阻的TEG可提供最大输出功率的原因即在于此。

  

 

  图5:电压电源驱动阻性负载的简化原理图

  

 

  图6:电源的输出功率与负载电阻的函数关系

  LTC3108给输入电源提供了一个约2.5Ω的最小输入电阻。(请注意:这是转换器而不是IC本身的输入电阻。)这处于大多数TEG源电阻范围的中间,从而为实现近乎最佳的功率传输提供了优良的负载匹配。LTC3108的设计是:当VIN下降时,输入电阻增大(如图7所示)。该特性令LTC3108能够很好地适应具有不同源电阻的TEG。

  

 

  图7:LTC3108的输入电阻与VIN的关系曲线(采用1:100匝数比)

  由于转换器的输入电阻相当低,因此无论负载大小如何它都将从电源吸收电流。以图8所示为例:当采用一个100mV输入时,转换器从电源吸收约37mA的电流。不可把该输入电流误当作IC本身所需的为其内部电路供电的6μA静态电流(取自VAUX)。当在极低电压条件下启动或依靠一个存储电容器来工作时,低静态电流的意义最为重大。

  

 

  图8:LTC3108的输入电流与VIN的关系曲线(采用1:100匝数比)6 选择用于发电的TEG

 

  大多数热电模块制造商均未提供有关输出电压或输出功率与温差之间关系的数据,而这恰恰是热能收集器设计人员所希望了解的。始终提供的两个参数是VMAX和IMAX,即某个特定模块的最大工作电压和最大工作电流(当在某种加热/冷却应用中处于驱动状态时)。

  在选择针对发电用途的热电模块时,上佳的经验法则是在给定的尺寸下选择具有最大(VMAX°IMAX)乘积的模块。这通常将提供最高的TEG输出电压和最低的源电阻。对此经验法则有一条附加说明,这就是散热器的尺寸必须根据TEG的尺寸来确定。较大的TEG需要大一些的散热器来实现最佳的性能。需要注意的是,制造商如果提供了电阻参数的话,那么指的是AC电阻,这是因为它无法使用DC电流以传统的方式来测量(DC电流会引发Seebeck电压,从而产生错误的电阻读数)。图9是一幅曲线图,给出了采用13种不同的TEG时(固定ΔT=5°C)LTC3108的功率输出与每个模块的(VMAX°IMAX)乘积的关系曲线。由图可见,当VI乘积较高时,LTC3108提供的输出功率通常也较高。

  

 

  图9:LTC3108输出功率与具有不同V和I乘积的TEG关系曲线

  图10示出了一个边长30mm的方形TEG在1°C至20°C的ΔT范围内输出电压及最大输出功率能力。在该ΔT范围内,输出功率从几百μW到几十mW不等。需要指出的是:该功率曲线是在假设拥有理想的负载匹配且无转换损耗的情况下得出的。最后,在利用LTC3108提升至一个较高电压之后可获得的输出功率将由于功率转换损耗的原因而低于图中示出的数值。LTC3108的产品手册中给出了几幅在多种不同工作条件下可提供输出功率的曲线图。

  

 

  图10:典型TEG的开路电压及最大功率输出

  就给定应用而言,所需要的TEG尺寸取决于可用的最小ΔT、负载所需的最大平均功率、以及用于将TEG的一端保持于环境温度的散热器的热阻。LTC3108的最大功率输出位于15°W/K-cm2至30°W/K-cm2之间,具体数值取决于所选择的变压器匝数比和特定的TEG。表1罗列了一些推荐使用的TEG器件型号。

  表1:推荐使用的TEG器件

  

 

  7 需要考虑的热量问题

  当把一个TEG置于两个处于不同温度的面之间时,在加入TEG之前的“开路”温差高于TEG放置到位时其上的温差。这是由于TEG本身在其陶瓷板之间具有一个相当低的热阻(通常为1°C/W至10°C/W)所致。

  考虑如下的例子,一部大型机器在周围环境温度为25°C以及表面温度为35°C的情况下工作。当将一个TEG连接到这台机器时,必须同时在TEG温度较低(环境温度)的一端加上一个散热器,否则整个TEG将升温至接近35°C,从而消除掉所有的温差。需要牢记一点:电输出功率正是产生自流过TEG的热量。

  在该例中,散热器和TEG的热阻确定了总温差(ΔT)的哪一部分存在于TEG的两端。该系统的简单热模型示于图11。假定热源(RS)的热阻可忽略不计,如果TEG的热阻(RTEG)为2°C/W,散热器的热阻为8°C/W,那么落在TEG上的ΔT仅为2°C。在TEG上的温度只有区区几°C的情况下,其输出电压很低,此时LTC3108能够依靠超低输入电压工作的重要性就凸显出来了。

  

 

  图11:TEG和散热器的热阻模型

  请注意:由于较大的TEG其表面积增大了,所以大型TEG通常比小型TEG热阻低。因此,在那些于TEG的一端采用了一个较小散热器的应用中,较大的TEG上的ΔT有可能小于较小的TEG,故而未必会提供更多的输出功率。无论在何种情况下,都应采用具有尽可能低热阻的散热器,以通过最大限度地提高TEG上的温度差来实现电输出的最大化。8 选择最佳的变压器匝数比

 

  对于那些可提供较高温度差(即较高的输入电压)的应用,可以采用一个匝数比较低(例如:1:50或1:20)的变压器以提供较高的输出电流能力。作为经验法则,假如最小输入电压在加载时至少为50mV,则建议采用1:50的匝数比。倘若最小输入电压至少为150mV,那么就建议使用1:20的匝数比。文中讨论的所有匝数比在市面上均有现成可售的Coilcraft器件(包括特定器件型号在内的更多信息请查阅LTC3108的产品手册)。图12中的曲线示出了在采用两种不同的变压器升压比及两种不同尺寸的TEG时,LTC3108在某一温度差范围内的输出功率能力。

  

 

  图12:对于两种TEG尺寸及两种变压器匝数比的LTC3108输出功率

  与T的关系曲线(VOUT=5V)

  9 脉冲负载应用

  由TEG供电的典型无线传感器应用如图13所示。在这个例子中,TEG上至少有2°C的温差可用,因此选择1:50的变压器升压比,以在2°C至10°CΔT的范围内实现最高的输出功率。当采用图示的TEG(边长40mm的方形器件,具有1.25Ω的电阻)时,该电路能够依靠低至2°C的温差启动并对VOUT电容器进行充电。请注意,在转换器的输入端上跨接了一个大容量的去耦电容器。在输入电压与TEG之间提供良好的去耦可最大限度地减小输入纹波、提升输出功率能力并在尽可能低的ΔT条件下启动。

  

 

  图13:由一个TEG来供电的无线传感器应用

  在图13所示的例子中,2.2VLDO输出负责给微处理器供电,而VOUT利用VS1和VS2引脚设置为3.3V,以给RF发送器供电。开关VOUT(VOUT2)由微处理器控制,以仅在需要时给3.3V传感器供电。当VOUT达到其稳定值的93%时,PGOOD输出将向微处理器发出指示信号。为了在输入电压不存在时保持运作,在后台从VSTORE引脚给0.1F存储电容器充电。这个电容器可以一路充电至高达VAUX并联稳压器的5.25V箝位电压。如果失去了输入电压电源,那么就自动地由存储电容器提供能量,以给该IC供电,并保持VLDO和VOUT的稳定。

  在本例中,根据下面的公式来确定COUT存储电容器的大小,以在10ms的持续时间内支持15mA的总负载脉冲,从而在负载脉冲期间允许VOUT有0.33V的下降。请注意,IPULSE包括VLDO和VOUT2以及VOUT上的负载,但可用的充电电流未包括在内,因为与负载相比,它可能非常小。

  COUT(μF)=IPULSE(mA)tPULSE(ms)/dVOUT

  考虑到这些要求,COUT至少须为454μF,因此选择了一个470μF的电容器。

  采用所示的TEG,在ΔT为5°C时工作,那么LTC3108在3.3V时可提供的平均充电电流约为560μA。利用这些数据,我们可以计算出,首次给VOUT存储电容器充电需要花多长时间,以及该电路能以多大的频度发送脉冲。假定在充电阶段中VLDO和VOUT上的负载非常小(相对于560μA),那么VOUT最初的充电时间为:

  tCHARGE=470μF3.3V/560μA=2.77s

  假定发送脉冲之间的负载电流非常小,那么一种简单估计最大容许发送速率的方法是用可从LTC3108获得的平均输出功率(在本例情况下为3.3V560μA=1.85mW)除以脉冲期间所需的功率(在本例情况下为3.3V15mA=49.5mW)。收集器能够支持的最大占空比为1.85mW/49.5mW=0.037或3.7%。因此最大脉冲发送速率为0.01/0.037=0.27s或约为3.7Hz。

  请注意,如果平均负载电流(如发送速率所决定的那样)是收集器所能支持的最大电流,那么将没有剩余的收集能量用于给存储电容器充电(如果需要存储能力的话)。因此,在这个例子中,发送速率设定为2Hz,从而留出几乎一半的可用能量给存储电容器充电。在该场合中,VSTORE电容器提供的存储时间利用以下公式来计算:

  tSTORE=0.1F(5.25V-3.3V)/(6μA+15mA0.01/0.5)=637s

  上述计算包括LTC3108所需的6μA静态电流,而且假定发送脉冲之间的负载极小。在此场合中,一旦存储电容器达到满充电状态,它就能以2Hz的发送速率支持负载达637s的时间,或支持总共1274个发送脉冲。

  10 利用后备电池的超低功率应用

  有些应用或许没有脉冲负载,但却可能需要连续工作。传统上,此类应用由一个小型主电池(比如:3V币形锂电池)来供电。假如功率需求足够低,那么这些应用就能够利用热能收集来连续供电,或者可以借助热能收集来极大地延长电池的使用寿命,从而降低维护成本。

  图14示出了一种利用后备电池来驱动一个连续负载的能量收集应用。在该例中,所有的电子线路均全部由2.2VLDO输出来供电,且总电流消耗小于200μA,只要TEG上至少存在3°C的温度差,LTC3108就能连续地给负载供电。在这些条件下,电池上没有负载。当可用的收集能量不够时,3V锂电池将无缝地“接管”并给负载供电。

  

具有后备电池的能量收集器

 

  图14:具有后备电池的能量收集器11 能量存储替代方案

 

  对于那些选用可再充电电池来替代主电池以提供备份或能量存储的应用,图14中的二极管可以去掉,并用可再充电的镍电池或锂离子电池(包括新型可再充电薄膜锂电池)来替换锂电池。如果采用的是可再充电的镍电池,则其自放电电流必须小于LTC3108所能供应的平均充电电流。如果选用锂离子电池,则需要增设额外的电路以保护其免遭过度充电和过度放电的损坏。另外还有一种存储替代方案就是具有5.25V额定电压的超级电容器,例如:Cooper-BussmanPB-5ROH104-R。与可再充电电池相比,超级电容器的优势在于拥有更多的充/放电次数,而缺点则是能量密度低得多。

  12 热量收集应用需要自动极性

  有些应用(例如:无线HVAC传感器或地热供电的传感器)对能量收集功率转换器提出了另一种独特的挑战。此类应用要求能量收集电源管理器不仅能够依靠非常低的输入电压来工作,而且能以任一极性工作,因为TEG上的°T的极性可能改变。这是一个特别棘手的难题,而且,在几十或几百mV的电压条件下,二极管桥式整流器不是合适的选项。

  LTC3109是唯一适合克服这种从任一极性的能量源收集能量之挑战的器件。LTC3109运用具1:100升压比的变压器,能以低至±30mV的输入电压工作。LTC3109与LTC3108的功能相同,包括一个LDO、一个数字可编程的输出电压、一个电源良好输出、一个开关输出和一个能量存储输出。LTC3109采用4mmx4mm20引脚QFN封装或20引脚SSOP封装。图15显示了LTC3109在自动极性应用中的一个典型例子。如图16所示,该转换器的输出电流随VIN变化的曲线说明,该器件在任一极性的输入电压时,都能同样良好地工作。

  

自动极性能量收集器供电的无线传感器节点

 

  图15:自动极性能量收集器供电的无线传感器节点

  

 

  图16:图15中转换器的输出电流随VIN变化的曲线

  LTC3109也可以针对单极性操作进行配置,采用单个变压器(与LTC3108相似)来适应那些需要尽可能低的启动电压和尽可能高的输出电流的应用。图17中示出的电路可在仅15mV的电压下启动,该电压是采用所示的TEG在小于1°C的温差条件下产生的。在10°C温差时,它能够提供稳定的5V电压(在0.74mA电流下),从而可输送3.7mW的已调稳态输出功率。在相同的条件下,这几乎达到了LTC3108输出功率的两倍,如图18所示。

  

 

  图17:采用LTC3108的单极性转换器能在仅15mV的电压条件下启动

  

 

  图18:LTC3108和LTC3109输出功率的比较

  需要注意:在单极性配置中,LTC3109对TEG呈现出约1Ω的负载电阻,因此应选择一个具有非常低源电阻的TEG以实现优良的负载匹配,否则在单极性配置中使用LTC3109将毫无优势可言,这一点很重要。本例中所采用的TEG具有1.0Ω的标称源电阻,旨在实现最佳的功率传输。

  13 结论

  LTC3108和LTC3109能独特地在输入电压低至20mV时工作,或者以非常低的任一极性电压工作,提供了简单和有效的电源管理解决方案,能实现热能收集,以利用常见的热电器件为无线传感器和其他低功率应用供电。

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