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無線傳感器節(jié)點能夠利用溫度梯度來供電而無需電池

時間：2018-04-12 10:08 來源：Analog Devices 作者：Bruce Haug

背景信息

用于測量和控制用途的超低功率無線傳感器節(jié)點 (WSN) 在激增，傳感器技術在進步，因此有可能產(chǎn)生由本地環(huán)境能源而不是主電池或輔助電池供電的完全自主型系統(tǒng)。用環(huán)境能源或“免費”能源給 WSN 供電很有吸引力，因為這種能源能對電池起到了補充作用，也可不再需要電池或?qū)Ь€。在電池更換或維護不方便、需要大量人手且成本很高時，這是個明顯的優(yōu)勢。

完全沒有導線，也使得很容易大規(guī)模擴展監(jiān)測和控制系統(tǒng)。能量收集無線傳感器系統(tǒng)在多種多樣的領域簡化了安裝和維護，包括資產(chǎn)跟蹤、結(jié)構健康度監(jiān)測 (橋梁、管道、鐵路、公路等) 以及農(nóng)業(yè)和工程自動化 (過程控制、機器健康度檢測等)。

最著名的能量收集系統(tǒng)是大型太陽能電池板和風力發(fā)電機，這兩種系統(tǒng)已經(jīng)成為電網(wǎng)的主要替代能源系統(tǒng)。但小型嵌入式設備必須依靠可從光、振動、熱甚至生物源獲得毫瓦級能量的能量收集系統(tǒng)。能量收集設備越接近滿足嵌入式系統(tǒng)的總體能量需求，嵌入式系統(tǒng)就越接近不用電池而自主運行。從任何環(huán)境能源收集的能量都可輕而易舉地用于遠程應用，只要這種自然能源基本上是取之不盡的，能量收集電源替代有線電源甚至電池的吸引力已經(jīng)變得越來越大了。“免費”能源一旦確定了特性并正確部署，在最終應用的工作壽命期內(nèi)就可免于維護并一直可用。

能量收集應用

現(xiàn)在，很多將收集的能源作為系統(tǒng)主電源的現(xiàn)實生活應用正在部署。WSN 常常受益于能量收集電源。當在有線電源或主電池不可靠、不可預測或不可用的偏遠地點部署無線節(jié)點時，就可以用收集的能量提供必要的電力以使其運行。

常見的可收集能量

·熱能 – 鍋爐、加熱器和摩擦源的廢能副產(chǎn)品

·光能 – 從陽光或室內(nèi)照明獲得

·機械能 – 來自振動、機械應力和應變等形式的能源

·電磁能 – 來自電感器、線圈和變壓器

·自然環(huán)境中的能量 – 來自風、水流和洋流等環(huán)境

·人體能 – 是機械能與熱能的組合，自然產(chǎn)生或通過動作產(chǎn)生

·其他能量 – 來自化學和生物來源

從這些來源可獲得能量的多少如圖 1 所示，單位為 µW/cm2 或 µW/cm3，取決于收集器是二維還是三維的。這張圖顯示，室外陽光每單位體積產(chǎn)生的可收集能量最多，緊隨其后的是熱量、應力和室內(nèi)照明。

圖 1：可收集能源及其產(chǎn)生能量的多少

無線傳感器解決方案

能量收集系統(tǒng)需要一個能源和一些關鍵電子組件，以形成一個完整的系統(tǒng)，通常包括：

·能量轉(zhuǎn)換器件 (傳感器)，例如可將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電源的壓電組件或太陽能電池板。

·電子連接器件或轉(zhuǎn)換器 (例如低壓降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器)，以從低壓電源獲得能量，并將其轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定可用的電壓，給負載供電和 / 或給電池或超級電容器充電。

·作為 WSN 組成部分，讀取、記錄和發(fā)送數(shù)據(jù)的傳感器、微控制器和收發(fā)器。

很重要的一點是，這些器件的靜態(tài)電流要很低，以使收集到的能量累積起來，給傳感器網(wǎng)絡或控制和監(jiān)測器件供電。還有一個必不可少的要求是，要知道能夠從可收集能源獲得多大的平均功率，以及要成功實現(xiàn)系統(tǒng)運行，需要多少能量給器件供電。

一切都歸結(jié)為占空比

很多無線傳感器系統(tǒng)都消耗非常低的平均功率，因此成為用能量收集方法供電的主要候選系統(tǒng)。傳感器節(jié)點可用來監(jiān)測緩慢變化的物理量。因此，可以不那么頻繁地進行測量和發(fā)送測量結(jié)果，因此運行占空比很低，相應地，所需要的平均功率也很低。

例如，如果一個傳感器系統(tǒng)在喚醒時需要 3.3V/30mA (100mW)，但每秒鐘僅有 10ms 處于激活模式，那么所需要的平均功率就僅為 1mW，假定在兩個發(fā)送突發(fā)之間的非激活模式時，傳感器系統(tǒng)的電流降至微安級。如果同一個無線傳感器僅在每分鐘而不是每秒鐘內(nèi)進行一次數(shù)據(jù)采樣和發(fā)送，那么平均功率將降至不到 20µW。這種差別是巨大的，因為大多數(shù)能量收集方式都提供非常低的穩(wěn)態(tài)功率，通常不超過幾毫瓦，有些情況下僅為幾微瓦。應用需要的平均功率越低，就越有可能由收集的能量供電。

能量收集 IC 解決方案

現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些幫助實現(xiàn)能量收集的商用產(chǎn)品。一些來自 ADI 公司的產(chǎn)品被用來探索獲得、處理、存儲和利用可收集能量的可能性。LTC3108 是這類器件之一，為用低至 20mV 的輸入電壓運行提供了一款集成式單片解決方案。這種能力使該器件能夠用熱電發(fā)生器 (TEG) 給無線傳感器供電，從低至 2°C 的溫差中收集能量。該器件利用小型 (6mm x 6mm)、現(xiàn)成有售的升壓型變壓器和少量低成本電容器，就可提供為 WSN 供電所必需的穩(wěn)定輸出電壓。訪問網(wǎng)址 www.linear.com.cn/product/LTC3108，可以看到設計實例。使用這款器件產(chǎn)生的設計可支持占空比高達 3.7% 的 50mW 負載。

圖 2：LTC3108 方框圖

LTC3108 采用一個升壓型變壓器和一個內(nèi)部耗盡型 MOSFET 以形成一個諧振的振蕩器，可依靠非常低的輸入電壓工作。當變壓器匝數(shù)比為 1:50 或 1:100 時，該轉(zhuǎn)換器能夠在輸入低至 20mV 的情況下啟動。變壓器副端繞組負責給一個充電泵和整流器電路饋送電壓，此電壓隨后用于為 IC 供電 (通過 VAUX 引腳)，以及給輸出電容器充電。2.2V LDO的輸出設計成首先進入穩(wěn)定狀態(tài)，以盡快地給一個低功率微處理器供電。一旦上述任務完成，即把主輸出電容器充電至由 VS1 和 VS2 引腳設置的電壓 (2.35V、3.3V、4.1V 或 5.0V)，用于給傳感器、模擬電路、 RF 收發(fā)器供電，甚至給一個超級電容器或輔助電池充電。當無線傳感器工作并發(fā)送數(shù)據(jù)因而出現(xiàn)低占空比負載脈沖時，VOUT 存儲電容器提供所需的突發(fā)能量。另外，還提供了一個可由主機輕松加以控制的開關輸出 (VOUT2)，以為那些不具備停機模式或低功率睡眠模式的電路供電。該器件具有一個電源良好輸出，用于在主輸出電壓接近其穩(wěn)定值時向主機發(fā)出警示信號。圖 2 顯示了 LTC3108 的方框圖。LTC3108-1 可替代 LTC3108，除了提供不同的輸出電壓 (2.5V、3.0V、3.7V 或 4.5V)，其他方面都與 LTC3108 相同。

一旦 VOUT 充電至穩(wěn)定狀態(tài)，收集的電流就轉(zhuǎn)入 VSTORE 引腳，以給大型存儲電容器或輔助電池充電。這種存儲組件可用來保持穩(wěn)定，并在萬一能量收集電源間歇存在時給系統(tǒng)供電，或者為傳送提供額外的峰值功率。加電和斷電時的輸出電壓排序如圖 3 所示。VAUX 引腳上的并聯(lián)穩(wěn)壓器防止 VSTORE 充電至高于 5.3V。

圖 3：加電和斷電時的電壓排序

使用典型的 40mm 方形 TEG 時，LTC3108 能用低至 2°C 的溫差運行，適用于多種能量收集應用。較高溫差使 LTC3108 能夠提供更大的平均輸出電流。

TEG 基礎知識

TEG 其實就是熱電模塊，它利用塞貝克 (Seebeck) 效應將設備上的溫度差轉(zhuǎn)換為電壓。這一現(xiàn)象的逆過程稱為 “帕爾帖 (Peltier) 效應”，這通過施加電壓而產(chǎn)生溫差，并為熱電冷卻器 (TEC) 所慣用。輸出電壓的極性取決于 TEG 兩端溫度差的極性。如果 TEG 的熱端和冷端掉換過來，那么輸出電壓就將改變極性。

TEG 由采用電串聯(lián)連接并夾在兩塊導熱陶瓷板之間的 N 型摻雜和 P 型摻雜半導體芯片對或偶所構成。最常用的半導體材料是碲化鉍 (Bi2Te3)。圖 4 示出了 TEG 的機械構造。

圖 4：TEG 結(jié)構

有些制造商將 TEG 與 TEC 區(qū)分開來。當作為 TEG 銷售時，通常意味著用于裝配模塊內(nèi)部的電偶之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，因而能夠提供高于標準 TEC (其最大工作溫度通常限制在 125°C) 的輸出功率。大多數(shù)低功率能量收集應用不會遇到高溫或高溫差的情況。

TEG 的尺寸和電氣規(guī)格多種多樣。最常見的模塊是方形的，每邊的長度約為 10mm到50mm，厚度則一般為2mm~5mm。

對于一個給定的溫度差 (與塞貝克系數(shù)成比例)，TEG 將產(chǎn)生多大的電壓受控于若干變量。其輸出電壓為每 °C 溫差 10mV 至 50mV (取決于電偶的數(shù)目)，并具有大約 0.5Ω 至 5Ω 的源電阻。一般而言，對于給定的溫差，TEG 所擁有的串聯(lián)電偶越多，其輸出電壓就越高。然而，增加電偶的數(shù)目也會增加 TEG 的串聯(lián)電阻，從而導致在加載時產(chǎn)生較大的電壓降。制造商可以通過調(diào)整個別半導體芯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較高的輸出電壓。

負載匹配

對于開放能源而言，例如 TEG 器件，電源電子電路應該抽取最大輸出功率。圖 5 的等效電路顯示，當負載與 TEG 器件的戴維南 (Thevenin) 等效源電阻匹配時，可抽取最大功率。

圖 5：電壓源驅(qū)動電阻負載的簡化原理圖

圖 6 顯示，提供給負載的功率是負載電阻的函數(shù)。在每條曲線中可以看到，當負載電阻與源電阻匹配時，向負載提供最大功率。然而，請注意，也很重要的一點是，當源電阻低于負載電阻時，所提供的功率也許不是最大的 (本例中的 1.9mW)，但是仍然高于較大源電阻驅(qū)動匹配負載時提供的功率 (本例中的 0.8mW)。因此，選擇具較低輸出阻抗的 TEG 可以獲得較大的輸出功率。

圖 6：電源提供的輸出功率是負載電阻的函數(shù)

LTC3108 對輸入源呈現(xiàn)約 2.5Ω 的最小輸入電阻。(請注意，這是轉(zhuǎn)換器的輸入電阻，不是 IC 本身的)。這個阻值處于大多數(shù) TEG 源電阻范圍的中間部分，提供了良好的負載匹配，可實現(xiàn)幾乎最佳的功率傳送。LTC3108 設計為，隨著 VIN 下降，輸入電阻增大 (如圖 7 所示)。這個特點允許 LTC3108 很好地適應具不同源電阻的 TEG。

圖 7：LTC3108 電路的輸入電阻隨 VIN 的變化

既然轉(zhuǎn)換器輸入電阻相當小，那么無論負載如何，轉(zhuǎn)換器都從電源吸取電流。例如，圖 8 顯示，輸入為 100mV 時，轉(zhuǎn)換器從電源吸取約 37mA。這個輸入電流不會與 IC 本身為其內(nèi)部電路供電所需 (從 VAUX 獲得) 的 6µA 靜態(tài)電流相混淆。以最低電壓啟動時，或者靠存儲電容器運行時，低靜態(tài)電流最有意義。

圖 8：LTC3108 電路的輸入電流隨 VIN 的變化

為發(fā)電目的選擇 TEG

大多數(shù)熱電模塊制造商都不提供輸出電壓或輸出功率隨溫差變化的數(shù)據(jù)，而這種數(shù)據(jù)卻是熱能收集器設計師想要看到的�？偸翘峁┑膬蓚€參數(shù)是 VMAX 和 IMAX，這是特定模塊 (在加熱 / 冷卻應用中被驅(qū)動時) 的最高工作電壓和最大工作電流。

為發(fā)電目的選擇熱電模塊時，一個很好用的經(jīng)驗法則是，在給定尺寸時，選擇具最大 (VMAX• IMAX) 值的模塊。這樣選擇出的模塊一般會提供最高 TEG 輸出電壓和最小源電阻。對于這個經(jīng)驗法則，需要說明的一點是，散熱器的大小必須按照 TEG 的尺寸調(diào)整。較大的 TEG 需要較大的散熱器以提供最佳性能。

請注意，電阻如果給出，一定是 AC 電阻，因為這種電阻不能用常規(guī)方法使用 DC 電流測量，原因是，DC 電流引起塞貝克 (Seebeck) 電壓，導致錯誤的電阻讀數(shù)。圖 9 是 LTC3108 在 5°C 固定 ∆T 情況下使用 13 個不同 TEG 時，功率輸出隨每個模塊 (VMAX xIMAX) 值的變化圖�？梢钥吹�，VI 值較大時，LTC3108 一般產(chǎn)生較大的輸出功率。

圖 9：LTC3108 的輸出功率隨不同 TEG VI 值的變化

圖 10 顯示了一個 30mm 方形 TEG 在 1°C 至 20°C ∆T 范圍內(nèi)的輸出電壓和最大輸出功率能力。在這個范圍內(nèi)，輸出功率從幾百微瓦變化到幾十毫瓦。請注意，這條功率曲線是在假定負載匹配達到理想狀態(tài)的情況下得出的，沒有考慮轉(zhuǎn)換損耗。最后，由 LTC3108 升壓到較高電壓之后，由于電源轉(zhuǎn)換損耗，可用輸出功率是低一些。LTC3108 的數(shù)據(jù)表中提供了幾張在不同工作條件下的可用輸出功率圖。

圖 10：一個典型 TEG 的開路電壓和最大輸出功率

給定應用所要求的 TEG 尺寸取決于可用的最小 ∆T、負載所需的最大平均功率以及用來使 TEG 的一側(cè)保持為環(huán)境溫度的散熱器之熱阻。LTC3108 的最大功率輸出范圍為 15µW/K-cm2至 30µW/K-cm2，取決于變壓器匝數(shù)比和具體選擇的 TEG。

需考慮的溫度因素

將 TEG 放在溫度不同的兩個表面之間時，TEG 放入之前的“開路”溫差高于 TEG 放入以后 TEG 兩側(cè)的溫差。這是因為，TEG 本身的兩個陶瓷板之間的熱阻相當?shù)?(典型值為 1°C/W 至 10°C/W)。

例如，考慮如下情況：一部大型機器在運行，表面溫度為 35°C，周圍的環(huán)境溫度為 25°C。給這部機器連上一個 TEG 時，散熱器必須加到 TEG 溫度較低 (環(huán)境溫度) 的一側(cè)，否則整個 TEG 溫度會上升到接近 35°C，消除了任何溫差。請記住，正是 TEG 兩側(cè)的溫差產(chǎn)生了輸出電功率。

在這個例子中，散熱器和 TEG 的熱阻決定了總的 ∆T 中有多大一部分落在 TEG 兩側(cè)。該系統(tǒng)的一個簡單的熱模型如圖 11 所示。假定熱源的熱阻 (RS) 可以忽略不計，TEG 的熱阻 (RTEG) 為 2°C/W，散熱器的熱阻為 8°C/W，那么得出 TEG 兩側(cè)的 ∆T 僅為 2°C。從一個兩側(cè)僅有幾度溫差的 TEG 產(chǎn)生的輸出電壓很低，這突出顯示了 LTC3108 能夠用超低輸入電壓運行的重要性。

請注意，大型 TEG 通常熱阻低于較小型的 TEG，因為表面積增大了。因此，在應用中，如果相對較小的散熱器用在 TEG 一側(cè)，那么較大的 TEG 也許其兩側(cè)的 ∆T 小于較小的 TEG，因此可能未必提供更大的輸出功率。無論如何，使用熱阻最低的散熱器可最大限度增大 TEG 兩側(cè)的溫差，因此最大限度增大了電輸出。

圖 11：TEG 和散熱器的熱阻模型

帕爾帖元件可提供多種尺寸和供電能力，從邊長小于 10mm 的方形到邊長超過 200mm 的方形都有。它們通常具有 2mm~5mm 的高度。LTC3106 的產(chǎn)品手冊中列舉了帕爾帖元件制造商的清單，其中包括 Marlow、Micropelt 和 Ferrotec 公司。

以無線傳感器為負載的應用

一個典型由 TEG 供電的無線傳感器應用如圖 12 所示。在這個例子中，TEG 兩側(cè)至少可提供 2°C 溫差，所以選擇 1:50 的變壓器匝數(shù)比，以提供最大輸出功率。對于 2°C 至 10°C 范圍的溫差，推薦使用這種匝數(shù)比的變壓器。使用所示 TEG (40mm 方形器件，電阻為 1.25Ω)，這個電路可以用低至 2°C 的溫差啟動并給 VOUT 電容器充電。請注意，轉(zhuǎn)換器輸入端子之間有一個大型去耦電容器。良好地去掉電壓與 TEG 的耦合，可以最大限度減小紋波，從而增強輸出功率能力，并允許以最低的溫差啟動。

在圖 12 所示的例子中，2.2V LDO 輸出負責給微處理器供電，而 VOUT 利用 VS1 和 VS2 引腳設置為 3.3V，以給 RF 發(fā)送器供電。開關 VOUT (VOUT2) 由微處理器控制，以僅在需要時為 3.3V 傳感器供電。當 VOUT 達到其穩(wěn)定值的 93% 時，PGOOD 輸出將向微處理器發(fā)出指示信號。為了在輸入電壓不存在時保持運作，在后臺從 VSTORE 引腳給一個 0.1F 存儲電容器充電。這個電容器可以一路充電至高達 VAUX 并聯(lián)穩(wěn)壓器的 5.25V 箝位電壓。如果失去了輸入電壓電源，那么就自動地由存儲電容器提供電能，以給該 IC 供電，并保持 VLDO 和 VOUT的穩(wěn)定。

圖 12：由 TEG 供電的無線傳感器應用

在這個例子中，COUT 存儲電容器的大小已經(jīng)調(diào)整為可在 10ms 持續(xù)時間內(nèi)支持 15mA 總負載脈沖，因此按照以下公式，在負載脈沖期間允許 VOUT 有 0.33V 壓降，請注意，IPULSE 包含了 VLDO 和 VOUT2 以及 VOUT 端的負載，但可用充電電流未包括在內(nèi)，因為這個充電電流與負載相比可能非常小。

考慮到這些要求，COUT 必須至少為 454µF，因此選擇了 470µF 電容器。

使用所示 TEG，在 ∆T 為 5°C 時運行，那么 3.3V 時可從 LTC3108 獲得的平均充電電流約為 560µA。有了這個數(shù)據(jù)，我們就可以計算第一次給 VOUT 存儲電容器充電需要花多長時間，電路能以多大的頻度發(fā)送脈沖。假定在充電階段 VLDO 和 VOUT 端的負載非常小 (相對于 560µA)，那么 VOUT 的初始充電時間為：

假定發(fā)送脈沖之間的負載電流非常小，那么一種估算最大允許發(fā)送速率的簡單方法是，用脈沖期間所需的功率 (在本例中為 3.3V • 15mA = 49.5mW) 除以可從 LTC3108 獲得的平均輸出功率 (在本例中為 3.3V • 560µA = 1.85mW)。收集器可支持的最大占空比為 1.85mW/49.5mW = 0.037 或 3.7%。因此，最大發(fā)送突發(fā)速率為 0.01/0.037 = 0.27 秒或約為 3.7Hz。

請記住，如果平均負載電流 (由發(fā)送速率決定) 是收集器所能支持的最大電流，那么就沒有剩余的收集能量給存儲電容器充電了 (如果想要存儲能力)。因此，在這個例子中，發(fā)送速率設定為 2Hz，留下幾乎一半的可用能量給存儲電容器充電。在這種情況下，VSTORE 電容器提供的存儲時間用以下公式計算：

這個計算中包括 LTC3108 需要的 6µA 靜態(tài)電流，并假定發(fā)送脈沖之間的負載極小。在這種情況下，一旦存儲電容器達到滿充電狀態(tài)，它就能以 2Hz 的發(fā)送速率支持負載達 637s 的時間，或支持總共 1274 個發(fā)送脈沖。

選擇最佳變壓器匝數(shù)比

對于有較高溫差 (即較高輸入電壓) 可用的應用而言，可以使用匝數(shù)比較小的變壓器，例如 1:50 或 1:20，以提供較強的輸出電流能力。如果在加載時最小輸入電壓至少為 50mV，那么推薦 1:50 匝數(shù)比。如果最小輸入電壓至少為 150mV，那么推薦 1:20 匝數(shù)比。所討論的所有匝數(shù)比的變壓器都有現(xiàn)成有售的器件提供 (如需更多信息，請查閱 LTC3108 數(shù)據(jù)表)。圖 13 中的曲線顯示 LTC3108 在一定溫差范圍內(nèi)的輸出功率能力，使用了兩種不同的變壓器升壓比和兩種不同尺寸的 TEG。

圖 13：LTC3108 的 POUT 隨 ΔT 的變化，兩種尺寸的 TEG 和兩種變壓器匝數(shù)比，VOUT = 5V

太陽能收集

LTC3106 (www.linear.com.cn/product/LTC3106) 是這個能量收集器件系列的另一款器件。這是一款降壓-升壓型器件，在 330mV 至 5.5V 輸入電壓范圍內(nèi)運行，一般適合如名片大小的小型太陽能電池板輸入。該器件提供了為兩個輸入而優(yōu)化的自主電源通路管理。無負載時，LTC3106 僅吸取 1.6µA 電流，同時從任一輸入源產(chǎn)生高達 5V 的輸出電壓。如果主電源不可用，那么 LTC3106 就無縫地切換到備份電源。LTC3106 與可再充電電池或主電池兼容，無論何時，只要有剩余能量可用，就可以對備份電池實施涓流充電�？扇芜x的最大功率點控制功能確保優(yōu)化電源和負載之間的功率傳送。輸出電壓和備份電壓采用數(shù)字方式進行設置，從而減少了所需的外部組件數(shù)目。零功率“貨架模式” (shelf mode) 可確保當備份電池被置于長時間地連接至 LTC3106 的情況下保持充電狀態(tài)。典型應用原理圖如圖 14 所示。

圖 14：具主電池備份的 LTC3106 太陽能電池輸入應用原理圖

結(jié)論

即使有些能量收集電源僅提供很低的可用功率，如采用 40mm x 40mm TEG 的設計實例所示，但這些電源可無需電池就能足以給大多數(shù)無線傳感器供電。LTC3108 能夠在輸入電壓低至 20mV 時運行，憑借這種獨一無二的能力，該器件提供了一種簡單、有效、支持熱能收集的電源管理解決方案，可利用常見熱電器件給無線傳感器以及其他低功率應用供電。LTC3106 是這個能量收集器件系列的另一款器件，可用于太陽能電池板應用。