超低电压能量收集器采用热电发生器为无电池无线传感器供电

 
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)
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 = 5ºC) 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 1ºC 至 20ºC 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 15µW/K-cm2 至 30µW/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
 

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 1ºC/W 至 10ºC/W) 所致。
考虑如下的例子，一部大型机器在周围环境温度为 25ºC 以及表面温度为 35ºC 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 35ºC，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 2ºC/W，散热器的热阻为 8ºC/W，那么落在 TEG 上的 ΔT 仅为 2ºC。在 TEG 上的温度只有区区几 ºC 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。
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。
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 2ºC 的温差可用，因此选择 1:50 的变压器升压比，以在 2ºC 至 10ºC ΔT 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 2ºC 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