无线传感器节点能够利用温度梯度来供电而无需电池

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Analog Devices 公司
Power By Linear 部
高级产品市场工程师
Bruce Haug
 
背景信息
 
用于测量和控制用途的超低功率无线传感器节点 (WSN) 在激增,传感器技术在进步,因此有可能产生由本地环境能源而不是主电池或辅助电池供电的完全自主型系统。用环境能源或“免费”能源给 WSN 供电很有吸引力,因为这种能源能对电池起到了补充作用,也可不再需要电池或导线。在电池更换或维护不方便、需要大量人手且成本很高时,这是个明显的优势。
 
完全没有导线,也使得很容易大规模扩展监测和控制系统。能量收集无线传感器系统在多种多样的领域简化了安装和维护,包括资产跟踪、结构健康度监测 (桥梁、管道、铁路、公路等) 以及农业和工程自动化 (过程控制、机器健康度检测等)。
 
最著名的能量收集系统是大型太阳能电池板和风力发电机,这两种系统已经成为电网的主要替代能源系统。但小型嵌入式设备必须依靠可从光、振动、热甚至生物源获得毫瓦级能量的能量收集系统。能量收集设备越接近满足嵌入式系统的总体能量需求,嵌入式系统就越接近不用电池而自主运行。从任何环境能源收集的能量都可轻而易举地用于远程应用,只要这种自然能源基本上是取之不尽的,能量收集电源替代有线电源甚至电池的吸引力已经变得越来越大了。“免费”能源一旦确定了特性并正确部署,在最终应用的工作寿命期内就可免于维护并一直可用。
 
 
能量收集应用
 
现在,很多将收集的能源作为系统主电源的现实生活应用正在部署。WSN 常常受益于能量收集电源。当在有线电源或主电池不可靠、不可预测或不可用的偏远地点部署无线节点时,就可以用收集的能量提供必要的电力以使其运行。
 
 
常见的可收集能量
 
热能 – 锅炉、加热器和摩擦源的废能副产品
光能 – 从阳光或室内照明获得
机械能 – 来自振动、机械应力和应变等形式的能源
电磁能 – 来自电感器、线圈和变压器
自然环境中的能量 – 来自风、水流和洋流等环境
人体能 – 是机械能与热能的组合,自然产生或通过动作产生
其他能量 – 来自化学和生物来源
 
从这些来源可获得能量的多少如图 1 所示,单位为µW/cm2 或 µW/cm3,取决于收集器是二维还是三维的。这张图显示,室外阳光每单位体积产生的可收集能量最多,紧随其后的是热量、应力和室内照明。
 
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图 1:可收集能源及其产生能量的多少
 
 
无线传感器解决方案
 
能量收集系统需要一个能源和一些关键电子组件,以形成一个完整的系统,通常包括:
 
能量转换器件 (传感器),例如可将环境能源转换成电源的压电组件或太阳能电池板。
电子连接器件或转换器 (例如低压降压-升压型转换器),以从低压电源获得能量,并将其转换成稳定可用的电压,给负载供电和 / 或给电池或超级电容器充电。
作为 WSN 组成部分,读取、记录和发送数据的传感器、微控制器和收发器。
 
很重要的一点是,这些器件的静态电流要很低,以使收集到的能量累积起来,给传感器网络或控制和监测器件供电。还有一个必不可少的要求是,要知道能够从可收集能源获得多大的平均功率,以及要成功实现系统运行,需要多少能量给器件供电。
 
 
一切都归结为占空比
 
很多无线传感器系统都消耗非常低的平均功率,因此成为用能量收集方法供电的主要候选系统。传感器节点可用来监测缓慢变化的物理量。因此,可以不那么频繁地进行测量和发送测量结果,因此运行占空比很低,相应地,所需要的平均功率也很低。
 
例如,如果一个传感器系统在唤醒时需要 3.3V/30mA (100mW),但每秒钟仅有 10ms 处于激活模式,那么所需要的平均功率就仅为 1mW,假定在两个发送突发之间的非激活模式时,传感器系统的电流降至微安级。如果同一个无线传感器仅在每分钟而不是每秒钟内进行一次数据采样和发送,那么平均功率将降至不到 20µW。这种差别是巨大的,因为大多数能量收集方式都提供非常低的稳态功率,通常不超过几毫瓦,有些情况下仅为几微瓦。应用需要的平均功率越低,就越有可能由收集的能量供电。
 
 
能量收集 IC 解决方案
 
现在已经出现了一些帮助实现能量收集的商用产品。一些来自 ADI 公司的产品被用来探索获得、处理、存储和利用可收集能量的可能性。LTC3108 是这类器件之一,为用低至 20mV 的输入电压运行提供了一款集成式单片解决方案。这种能力使该器件能够用热电发生器 (TEG) 给无线传感器供电,从低至 2°C 的温差中收集能量。该器件利用小型 (6mm x 6mm)、现成有售的升压型变压器和少量低成本电容器,就可提供为 WSN 供电所必需的稳定输出电压。访问网址 www.linear.com.cn/product/LTC3108,可以看到设计实例。使用这款器件产生的设计可支持占空比高达 3.7% 的 50mW 负载。
 
 
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图 2:LTC3108 方框图
 
LTC3108 采用一个升压型变压器和一个内部耗尽型 MOSFET 以形成一个谐振的振荡器,可依靠非常低的输入电压工作。当变压器匝数比为 1:50 或 1:100 时,该转换器能够在输入低至 20mV 的情况下启动。变压器副端绕组负责给一个充电泵和整流器电路馈送电压,此电压随后用于为 IC 供电 (通过 VAUX 引脚),以及给输出电容器充电。2.2V LDO的输出设计成首先进入稳定状态,以尽快地给一个低功率微处理器供电。一旦上述任务完成,即把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,甚至给一个超级电容器或辅助电池充电。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),以为那些不具备停机模式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 显示了 LTC3108 的方框图。LTC3108-1 可替代 LTC3108,除了提供不同的输出电压 (2.5V、3.0V、3.7V 或 4.5V),其他方面都与 LTC3108 相同。
 
 
一旦 VOUT 充电至稳定状态,收集的电流就转入 VSTORE 引脚,以给大型存储电容器或辅助电池充电。这种存储组件可用来保持稳定,并在万一能量收集电源间歇存在时给系统供电,或者为传送提供额外的峰值功率。加电和断电时的输出电压排序如图 3 所示。VAUX 引脚上的并联稳压器防止 VSTORE 充电至高于 5.3V。
 
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图 3:加电和断电时的电压排序
 
使用典型的 40mm 方形 TEG 时,LTC3108 能用低至 2°C 的温差运行,适用于多种能量收集应用。较高温差使 LTC3108 能够提供更大的平均输出电流。
 
 
TEG 基础知识
 
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转换为电压。这一现象的逆过程称为 “帕尔帖 (Peltier) 效应”,这通过施加电压而产生温差,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。
 
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图 4:TEG 结构
 
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的电偶之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 (其最大工作温度通常限制在 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。最常见的模块是方形的,每边的长度约为 10mm到50mm,厚度则一般为2mm~5mm。
 
对于一个给定的温度差 (与塞贝克系数成比例),TEG 将产生多大的电压受控于若干变量。其输出电压为每 °C 温差 10mV 至 50mV (取决于电偶的数目),并具有大约 0.5Ω 至 5Ω 的源电阻。一般而言,对于给定的温差,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电压降。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。
 
 
负载匹配
 
对于开放能源而言,例如 TEG 器件,电源电子电路应该抽取最大输出功率。图 5 的等效电路显示,当负载与 TEG 器件的戴维南 (Thevenin) 等效源电阻匹配时,可抽取最大功率。
 
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图 5:电压源驱动电阻负载的简化原理图
 
图 6 显示,提供给负载的功率是负载电阻的函数。在每条曲线中可以看到,当负载电阻与源电阻匹配时,向负载提供最大功率。然而,请注意,也很重要的一点是,当源电阻低于负载电阻时,所提供的功率也许不是最大的 (本例中的 1.9mW),但是仍然高于较大源电阻驱动匹配负载时提供的功率 (本例中的 0.8mW)。因此,选择具较低输出阻抗的 TEG 可以获得较大的输出功率。
 
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图 6:电源提供的输出功率是负载电阻的函数
 
LTC3108 对输入源呈现约 2.5Ω 的最小输入电阻。(请注意,这是转换器的输入电阻,不是 IC 本身的)。这个阻值处于大多数 TEG 源电阻范围的中间部分,提供了良好的负载匹配,可实现几乎最佳的功率传送。LTC3108 设计为,随着 VIN 下降,输入电阻增大 (如图 7 所示)。这个特点允许 LTC3108 很好地适应具不同源电阻的 TEG。
 
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图 7:LTC3108 电路的输入电阻随 VIN 的变化
 
 
既然转换器输入电阻相当小,那么无论负载如何,转换器都从电源吸取电流。例如,图 8 显示,输入为 100mV 时,转换器从电源吸取约 37mA。这个输入电流不会与 IC 本身为其内部电路供电所需 (从 VAUX 获得) 的 6µA 静态电流相混淆。以最低电压启动时,或者靠存储电容器运行时,低静态电流最有意义。
 
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图 8:LTC3108 电路的输入电流随 VIN 的变化
 
 
为发电目的选择 TEG 
 
大多数热电模块制造商都不提供输出电压或输出功率随温差变化的数据,而这种数据却是热能收集器设计师想要看到的。总是提供的两个参数是 VMAX 和 IMAX,这是特定模块 (在加热 / 冷却应用中被驱动时) 的最高工作电压和最大工作电流。
 
为发电目的选择热电模块时,一个很好用的经验法则是,在给定尺寸时,选择具最大 (VMAX • IMAX) 值的模块。这样选择出的模块一般会提供最高 TEG 输出电压和最小源电阻。对于这个经验法则,需要说明的一点是,散热器的大小必须按照 TEG 的尺寸调整。较大的 TEG 需要较大的散热器以提供最佳性能。
 
请注意,电阻如果给出,一定是 AC 电阻,因为这种电阻不能用常规方法使用 DC 电流测量,原因是,DC 电流引起塞贝克  (Seebeck) 电压,导致错误的电阻读数。图 9 是 LTC3108 在 5°C 固定 ∆T 情况下使用 13 个不同 TEG 时,功率输出随每个模块 (VMAX x IMAX) 值的变化图。可以看到,VI 值较大时,LTC3108 一般产生较大的输出功率。
 
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图 9:LTC3108 的输出功率随不同 TEG VI 值的变化
 
 
图 10 显示了一个 30mm 方形 TEG 在 1°C 至 20°C ∆T 范围内的输出电压和最大输出功率能力。在这个范围内,输出功率从几百微瓦变化到几十毫瓦。请注意,这条功率曲线是在假定负载匹配达到理想状态的情况下得出的,没有考虑转换损耗。最后,由 LTC3108 升压到较高电压之后,由于电源转换损耗,可用输出功率是低一些。LTC3108 的数据表中提供了几张在不同工作条件下的可用输出功率图。
 
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图 10:一个典型 TEG 的开路电压和最大输出功率
 
 
给定应用所要求的 TEG 尺寸取决于可用的最小 ∆T、负载所需的最大平均功率以及用来使 TEG 的一侧保持为环境温度的散热器之热阻。LTC3108 的最大功率输出范围为 15µW/K-cm2 至 30µW/K-cm2,取决于变压器匝数比和具体选择的 TEG。
 
 
需考虑的温度因素
 
将 TEG 放在温度不同的两个表面之间时,TEG 放入之前的“开路”温差高于 TEG 放入以后 TEG 两侧的温差。这是因为,TEG 本身的两个陶瓷板之间的热阻相当低 (典型值为 1°C/W 至 10°C/W)。
 
例如,考虑如下情况:一部大型机器在运行,表面温度为 35°C,周围的环境温度为 25°C。给这部机器连上一个 TEG 时,散热器必须加到 TEG 温度较低 (环境温度) 的一侧,否则整个 TEG 温度会上升到接近 35°C,消除了任何温差。请记住,正是 TEG 两侧的温差产生了输出电功率。
 
在这个例子中,散热器和 TEG 的热阻决定了总的 ∆T 中有多大一部分落在 TEG 两侧。该系统的一个简单的热模型如图 11 所示。假定热源的热阻 (RS) 可以忽略不计,TEG 的热阻 (RTEG) 为 2°C/W,散热器的热阻为 8°C/W,那么得出 TEG 两侧的 ∆T 仅为 2°C。从一个两侧仅有几度温差的 TEG 产生的输出电压很低,这突出显示了 LTC3108 能够用超低输入电压运行的重要性。
 
请注意,大型 TEG 通常热阻低于较小型的 TEG,因为表面积增大了。因此,在应用中,如果相对较小的散热器用在 TEG 一侧,那么较大的 TEG 也许其两侧的 ∆T 小于较小的 TEG,因此可能未必提供更大的输出功率。无论如何,使用热阻最低的散热器可最大限度增大 TEG 两侧的温差,因此最大限度增大了电输出。
 
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图 11:TEG 和散热器的热阻模型
 
 
帕尔帖元件可提供多种尺寸和供电能力,从边长小于 10mm 的方形到边长超过 200mm 的方形都有。它们通常具有 2mm~5mm 的高度。LTC3106 的产品手册中列举了帕尔帖元件制造商的清单,其中包括 Marlow、Micropelt 和 Ferrotec 公司。
 
 
以无线传感器为负载的应用
 
一个典型由 TEG 供电的无线传感器应用如图 12 所示。在这个例子中,TEG 两侧至少可提供 2°C 温差,所以选择 1:50 的变压器匝数比,以提供最大输出功率。对于 2°C 至 10°C 范围的温差,推荐使用这种匝数比的变压器。使用所示 TEG (40mm 方形器件,电阻为 1.25Ω),这个电路可以用低至 2°C 的温差启动并给 VOUT 电容器充电。请注意,转换器输入端子之间有一个大型去耦电容器。良好地去掉电压与 TEG 的耦合,可以最大限度减小纹波,从而增强输出功率能力,并允许以最低的温差启动。
 
在图 12 所示的例子中,2.2V LDO 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,以仅在需要时为 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 引脚给一个 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电能,以给该 IC 供电,并保持 VLDO 和 VOUT 的稳定。
 
 
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图 12:由 TEG 供电的无线传感器应用
 
在这个例子中,COUT 存储电容器的大小已经调整为可在 10ms 持续时间内支持 15mA 总负载脉冲,因此按照以下公式,在负载脉冲期间允许 VOUT 有 0.33V 压降,请注意,IPULSE 包含了 VLDO 和 VOUT2 以及 VOUT 端的负载,但可用充电电流未包括在内,因为这个充电电流与负载相比可能非常小。
 
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考虑到这些要求,COUT 必须至少为 454µF,因此选择了 470µF 电容器。
 
使用所示 TEG,在 ∆T 为 5°C 时运行,那么 3.3V 时可从 LTC3108 获得的平均充电电流约为 560µA。有了这个数据,我们就可以计算第一次给 VOUT 存储电容器充电需要花多长时间,电路能以多大的频度发送脉冲。假定在充电阶段 VLDO 和 VOUT 端的负载非常小 (相对于 560µA),那么 VOUT 的初始充电时间为:
 
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假定发送脉冲之间的负载电流非常小,那么一种估算最大允许发送速率的简单方法是,用脉冲期间所需的功率 (在本例中为 3.3V • 15mA = 49.5mW) 除以可从 LTC3108 获得的平均输出功率 (在本例中为 3.3V • 560µA = 1.85mW)。收集器可支持的最大占空比为 1.85mW/49.5mW = 0.037 或 3.7%。因此,最大发送突发速率为 0.01/0.037 = 0.27 秒或约为 3.7Hz。
 
请记住,如果平均负载电流 (由发送速率决定) 是收集器所能支持的最大电流,那么就没有剩余的收集能量给存储电容器充电了 (如果想要存储能力)。因此,在这个例子中,发送速率设定为 2Hz,留下几乎一半的可用能量给存储电容器充电。在这种情况下,VSTORE 电容器提供的存储时间用以下公式计算:
 
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这个计算中包括 LTC3108 需要的 6µA 静态电流,并假定发送脉冲之间的负载极小。在这种情况下,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。
 
 
选择最佳变压器匝数比
 
对于有较高温差 (即较高输入电压) 可用的应用而言,可以使用匝数比较小的变压器,例如 1:50 或 1:20,以提供较强的输出电流能力。如果在加载时最小输入电压至少为 50mV,那么推荐 1:50 匝数比。如果最小输入电压至少为 150mV,那么推荐 1:20 匝数比。所讨论的所有匝数比的变压器都有现成有售的器件提供 (如需更多信息,请查阅 LTC3108 数据表)。图 13 中的曲线显示 LTC3108 在一定温差范围内的输出功率能力,使用了两种不同的变压器升压比和两种不同尺寸的 TEG。
 
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图 13:LTC3108 的 POUT 随 ΔT 的变化,两种尺寸的 TEG 和两种变压器匝数比,VOUT = 5V
 
 
太阳能收集
 
LTC3106 (www.linear.com.cn/product/LTC3106) 是这个能量收集器件系列的另一款器件。这是一款降压-升压型器件,在 330mV 至 5.5V 输入电压范围内运行,一般适合如名片大小的小型太阳能电池板输入。该器件提供了为两个输入而优化的自主电源通路管理。无负载时,LTC3106 仅吸取 1.6µA 电流,同时从任一输入源产生高达 5V 的输出电压。如果主电源不可用,那么 LTC3106 就无缝地切换到备份电源。LTC3106 与可再充电电池或主电池兼容,无论何时,只要有剩余能量可用,就可以对备份电池实施涓流充电。可任选的最大功率点控制功能确保优化电源和负载之间的功率传送。输出电压和备份电压采用数字方式进行设置,从而减少了所需的外部组件数目。零功率“货架模式” (shelf mode) 可确保当备份电池被置于长时间地连接至 LTC3106 的情况下保持充电状态。典型应用原理图如图 14 所示。
 
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图 14:具主电池备份的 LTC3106 太阳能电池输入应用原理图
 
 
结论
 
即使有些能量收集电源仅提供很低的可用功率,如采用 40mm x 40mm TEG 的设计实例所示,但这些电源可无需电池就能足以给大多数无线传感器供电。LTC3108 能够在输入电压低至 20mV 时运行,凭借这种独一无二的能力,该器件提供了一种简单、有效、支持热能收集的电源管理解决方案,可利用常见热电器件给无线传感器以及其他低功率应用供电。LTC3106 是这个能量收集器件系列的另一款器件,可用于太阳能电池板应用。
 
 
参考文件:
 
(1) CEA-Leti
(2) ADI 提供的 LTC3108 数据表
(3) ADI 提供的 LTC3106 数据表
(4) ADI 提供的 LTC3106 LT Journal