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出現了。

在替換或維護電池不方便或危險時，這顯然是有好處的。由收集能量供電的傳感器節點" title="傳感器節點">傳感器節點可以在樓宇自動化、無線/自動測量、前瞻性維護和其他很多工業、軍事、汽車和消費類應用中使用。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需要智能電源管理電路，以將微量免費能量轉換成無線傳感器系統可使用的形式。

歸根結底是占空比問題
很多無線傳感器系統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。因為傳感器節點常常用來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，平均功率需求也很小。例如，如果一個傳感器系統在工作時需要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，假定在傳送突發的間隔期間不工作時，傳感器系統電流降至數μA。

電源管理：迄今為止在能量收集中仍然缺失的一環
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收發器得到了廣泛采用。在實現實際的能量收集系統時，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電源轉換器/電源管理構件。LTC3108能在輸入電壓低至20mV時啟動，為熱能收集補上了缺失的這一環。LTC3108采用3mm×4mm×0.75mm 12引腳DFN或16引腳SSOP封裝，為用熱電發生器(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部MOSFET形成一個諧振振蕩器。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的輸出設計成首先進入穩定狀態，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收發器供電。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，還提供一個開關輸出(VOUT2)，以給沒有停機或休眠模式的電路供電。一旦VOUT進入穩定狀態，那么所收集的電流就被導向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

熱電發生器的基本原理
熱電發生器(TEG)其實就是逆向工作的熱電冷卻器(TEC)。熱電發生器應用席貝克效應(Seebeck Effect)，將設備(通過該設備產生熱量流動) 上的溫度差轉換成電壓。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電阻(規定為AC電阻)來代表。

TEG的尺寸和電氣規格多種多樣。大多數模組都是方形的，每邊的長度從10～50mm不等，標準厚度為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。就給定應用而言，所需要的TEG大小取決于可用的ΔT、負載需要的最大平均功率，以及用來冷卻TEG一側的散熱器熱阻。

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

需要考慮的熱量問題
當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上呈現的ΔT將低于溫暖表面和環境之間的溫度差，因為TEG具有相對較低的熱阻(典型情況下在1～20℃/W范圍內)。

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

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，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。

脈沖負載應用設計例子
由TEG供電的典型無線傳感器應用如圖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，以實現最高的輸出功率。

圖3 無線傳感器應用例子

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引腳設定到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達到穩定值的93%時，PGOOD輸出向微處理器發出指示信號。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VAUX并聯穩壓器的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的穩定。

根據以下公式確定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，但充電電流未包括在內，因為與負載相比，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頻度發送脈沖。假定充電階段VLDO和VOUT上的負載非常小，那么VOUT最初的充電時間為：
      (2)
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發送速率的方法是，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。VSTORE電容器提供的存儲時間利用以下公式計算：
     (3)

圖4 自動極性應用例子

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。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637s，或支持總共1274個發送脈沖。