人們常常在周圍充滿能源的環(huán)境中看到無線和有線傳感器系統(tǒng)，這種環(huán)境能源非常適合用來給傳感器供電。例如，能量收集可以顯著地延長(zhǎng)已安裝電池的壽命，尤其當(dāng)功率要求較低時(shí)，從而降低了長(zhǎng)期維護(hù)成本，減少了宕機(jī)事件。盡管有這么多好處，但是在能量收集的采用上始終存在一些障礙。最顯著的是，環(huán)境能源常常是間歇性的，或者不夠給傳感器系統(tǒng)連續(xù)供電，而主電池電源在其額定壽命期內(nèi)是極其可靠的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師也許不愿意將系統(tǒng)升級(jí)為可以收集環(huán)境能源，尤其是當(dāng)無縫集成非常重要時(shí)。凌力爾特的 LTC3107 之目標(biāo)是，使其容易且無縫地延長(zhǎng)電池壽命，以及通過給現(xiàn)有設(shè)計(jì)增加能量收集功能，以改變這類設(shè)計(jì)師的想法。

LTC3107 是一款負(fù)載點(diǎn)能量收集器，僅占用很小的空間，只要能夠容納 LTC3107 的 3mm x 3mm DFN 封裝以及幾個(gè)外部組件即可。通過產(chǎn)生一個(gè)跟蹤現(xiàn)有主電池電壓的輸出電壓，可無縫地采用 LTC3107 以把免費(fèi)熱能收集的成本節(jié)約帶到新的和現(xiàn)有的電池供電型設(shè)計(jì)中。

LTC3107 與一個(gè)小型的熱能能源一起使用，就可以延長(zhǎng)電池壽命，在有些情況下長(zhǎng)達(dá)電池的保存壽命，因此降低了與電池更換有關(guān)且重復(fù)發(fā)生的維護(hù)成本。LTC3107 用來增強(qiáng)電池，甚至視負(fù)載情況和可用的可收集能源的情況而定，完全由 LTC3107 給負(fù)載供電。

數(shù)字輸出 BAT_OFF 用來指示在任意給定時(shí)刻電池是否處于使用中以為負(fù)載供電。這就允許系統(tǒng)監(jiān)視收集器的有效性，以及電池使用的占空比，以提供維護(hù)報(bào)告。BAT_OFF 從內(nèi)部上拉到 V_OUT。

圖 1 顯示了一個(gè)典型的無線傳感器應(yīng)用。這個(gè)系統(tǒng)完全由一個(gè) CR3032 3.0V 鋰幣形主電池供電，電池容量為 500mA-Hr。如果平均系統(tǒng)功率需求是 250µW，那么這個(gè)電池在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，可以供電大約 8 個(gè)月時(shí)間。

圖 2 顯示了相同的系統(tǒng)，使用相同的電池，但增加了基于 LTC3107 的熱能收集器，以延長(zhǎng)電池壽命。

圖 1：一個(gè)典型的電池供電無線傳感器系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方框圖

圖 2：具電池和 LTC3107 熱能收集器的無線傳感器系統(tǒng)

圖 3 顯示了通過增設(shè)熱能收集實(shí)現(xiàn)的預(yù)期電池壽命延長(zhǎng)，其在一系列 TEG 安裝表面溫度下(假定環(huán)境溫度為 23°C) 采用了一個(gè)小型 (15mm x 15mm) 熱電發(fā)生器 (TEG) 和一個(gè) 24mm² 散熱器 。

圖 3：通過使用一個(gè)熱能收集器，電池壽命可以延長(zhǎng)幾年

在所收集的熱功率大于負(fù)載所需的平均功率時(shí)，絕不用電池給負(fù)載供電，僅從電池吸取 80nA 電流，從而使電池壽命接近一個(gè)典型主電池的保存壽命 (5 至 10 年)。在這種情況下，電池僅用來作為 LTC3107 的基準(zhǔn)電壓以提供輸出電壓調(diào)節(jié)。需要提及的重要一點(diǎn)是，在所有工作條件下，LTC3107 都能夠防止任何充電電流進(jìn)入電池。

例如，就圖 2 所示系統(tǒng)而言，當(dāng) TEG 連接至可收集熱源時(shí)，諸如僅比環(huán)境溫度高 12°C 的溫?zé)峁艿阑驒C(jī)器時(shí)，LTC3107 就可以完全用收集的能量給 250µW 負(fù)載供電，從而在電池保存壽命期內(nèi)，省去了多次電池更換服務(wù)，如圖 3 所示。

圖 4 波形顯示了電池電壓和 LTC3107 的輸出電壓。如圖所示，輸出電壓穩(wěn)定在大約比未加載電池電壓低 30mV 的電壓值上，對(duì)系統(tǒng)負(fù)載而言是無縫和透明的，從而為所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提供一個(gè)輸出電壓。在這種情況下，BAT_OFF 輸出保持高電平，指示電池未用來給負(fù)載供電。(請(qǐng)注意，在這些圖中，由于示波器探頭和 LTC3107 內(nèi)部的上拉電阻器組成了電阻分壓器，所以示波器探頭的電阻性負(fù)載使 BAT_OFF 的高電平電壓降至低于 V_OUT。)

圖 4：P_HARVEST > P_LOAD 時(shí)收集器的波形

如果負(fù)載需求超過收集器的供電能力，那么就按照需要，用電池來保持輸出電壓，并提供負(fù)載所需的必要的輸出功率。在這種情況下，收集器盡可能提供最大的負(fù)載電流，以最大限度降低電池電流，并最大限度延長(zhǎng)電池壽命。BAT_OFF 信號(hào)保持低電平，即使有些負(fù)載電流是由收集器提供。這種情況下的波形如圖 5 所示。請(qǐng)注意，在這種情況下，LTC3107 將 V_OUT 調(diào)節(jié)至大約比實(shí)際電池電壓低 220mV。

圖 5：P_HARVEST < P_LOAD 時(shí)收集器的波形

如果負(fù)載是動(dòng)態(tài)的，從較低值向較高值轉(zhuǎn)變，那么 BAT_OFF 信號(hào)就會(huì)在高電平和低電平之間出現(xiàn)脈沖變化，指示何時(shí)收集器能夠向負(fù)載供電，何時(shí)需要電池。圖 6 所示波形說明了這種情況，該波形在瞬間的負(fù)載階躍時(shí)出現(xiàn)。

圖 6：短暫的負(fù)載瞬態(tài)超過 P_HARVEST 時(shí)收集器的波形

為了進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命，LTC3107 可在輕負(fù)載時(shí)通過 VSTORE 引腳上電容值較大的電容器存儲(chǔ)多余的收集能量，以在重負(fù)載時(shí)支持 V_OUT。為了方便使用超級(jí)電容器 (超級(jí)電容器典型情況下最高電壓額定值為 5V)，VSTORE 引腳上的電壓從內(nèi)部箝位至最高 4.48V。

在負(fù)載增大時(shí)，這種能量存儲(chǔ)功能可在恢復(fù)至電池電源之前自動(dòng)使用存儲(chǔ)的能量保持 V_OUT，可降低或消除了電池泄漏。在圖 7 所示波形中說明了這一點(diǎn)。這時(shí)可以看到，在輕負(fù)載時(shí)已經(jīng)升高的 VSTORE 電壓在負(fù)載增大時(shí)下降了，因?yàn)橄蜇?fù)載提供了能量。可以看到，V_OUT 沒有下降，BAT_OFF 信號(hào)仍然保持高電平，這指示即使在負(fù)載瞬態(tài)時(shí)電池也未用來支持輸出。

圖 7：用 VSTORE 功能支持負(fù)載瞬間增大

在無收集能量可用、存儲(chǔ)能量耗盡的情況下，輸出功率全部由電池提供，就像沒有收集器一樣，同時(shí) V_OUT 穩(wěn)定在比電池電壓低 220mV 的電壓值上。在這種情況下，收集器電路仍然保持空閑狀態(tài)，僅給電池增加了 6µA 負(fù)載。這種情況下的收集器波形與圖 5 所示相同。

為了針對(duì) V_OUT 端短路情況保護(hù)電池，從 VBATT 到 V_OUT 的電流限制到最低 30mA 和最大 100mA。因此，當(dāng)靠電池運(yùn)行時(shí)，可以支持至少 30mA 的穩(wěn)態(tài)負(fù)載。如果需要，可以在短時(shí)間內(nèi)用 V_OUT 端的去耦電容器支持較大的瞬態(tài)負(fù)載。

收集器產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)輸出電流受幾個(gè)因素的影響，但是主要受到可以加到 TEG 兩端的溫度差的限制。請(qǐng)注意，該電流不僅是 TEG 安裝表面的溫度和環(huán)境溫度的函數(shù)，而且受到 TEG 低溫側(cè)使用的散熱器熱阻的影響。收集能量提供的輸出電流在穩(wěn)態(tài)時(shí)可能低至數(shù)微安直至幾毫安。從 VSTORE 到 V_OUT 能夠提供的電流受到這兩個(gè)引腳之間電壓差的限制以及通過 LTC3107 充電控制電路的內(nèi)部通路電阻 (典型值約為 120Ω) 的限制。因此 VSTORE 電流典型情況下也限制到數(shù)毫安，而且未打算支持很大的負(fù)載瞬態(tài)。這應(yīng)該由 V_OUT 去耦電容器應(yīng)對(duì)。

除了 BAT_OFF 功能，LTC3107 還提供第二個(gè)輸出電壓，該電壓由一個(gè)內(nèi)部低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器穩(wěn)定在 2.2V，可用來給高達(dá) 10mA 的負(fù)載供電。如果必要，這個(gè) 2.2V LDO 也可由收集器和電池供電。

總結(jié)

為了方便在多種新的和現(xiàn)有的主電池供電應(yīng)用中采用熱能收集技術(shù)，LTC3107 設(shè)計(jì)為在 2V 至 4V 電池電壓范圍內(nèi)工作。這個(gè)范圍包括了在較低功率應(yīng)用中使用的大多數(shù)流行的長(zhǎng)壽命主電池，例如 3V 幣形鋰電池和 3.6V 鋰亞硫酰氯電池。LTC3107 提供了兩全其美的解決方案，既提供電池電源的可靠性，又可以最少的設(shè)計(jì)工作量和采用熱能收集而降低了維護(hù)成本。