| 人們常常在周?chē)錆M(mǎn)能源的環(huán)境中看到無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)傳感器系統，這種環(huán)境能源非常適合用來(lái)給傳感器供電。例如，能量收集可以顯著(zhù)地延長(cháng)已安裝電池的壽命，尤其當功率要求較低時(shí)，從而降低了長(cháng)期維護成本，減少了宕機事件。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(zhù)的是，環(huán)境能源常常是間歇性的，或者不夠給傳感器系統連續供電，而主電池電源在其額定壽命期內是極其可靠的。系統設計師也許不愿意將系統升級為可以收集環(huán)境能源，尤其是當無(wú)縫集成非常重要時(shí)。凌力爾特的 LTC3107 之目標是，使其容易且無(wú)縫地延長(cháng)電池壽命，以及通過(guò)給現有設計增加能量收集功能，以改變這類(lèi)設計師的想法。
LTC3107 是一款負載點(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(guò)產(chǎn)生一個(gè)跟蹤現有主電池電壓的輸出電壓，可無(wú)縫地采用 LTC3107 以把免費熱能收集的成本節約帶到新的和現有的電池供電型設計中。
LTC3107 與一個(gè)小型的熱能能源一起使用，就可以延長(cháng)電池壽命，在有些情況下長(cháng)達電池的保存壽命，因此降低了與電池更換有關(guān)且重復發(fā)生的維護成本。LTC3107 用來(lái)增強電池，甚至視負載情況和可用的可收集能源的情況而定，完全由 LTC3107 給負載供電。
數字輸出 BAT_OFF 用來(lái)指示在任意給定時(shí)刻電池是否處于使用中以為負載供電。這就允許系統監視收集器的有效性，以及電池使用的占空比，以提供維護報告。BAT_OFF 從內部上拉到 VOUT。
圖 1 顯示了一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)傳感器應用。這個(gè)系統完全由一個(gè) CR3032 3.0V 鋰幣形主電池供電，電池容量為 500mA-Hr。如果平均系統功率需求是 250µW，那么這個(gè)電池在連續運行時(shí)，可以供電大約 8 個(gè)月時(shí)間。
圖 2 顯示了相同的系統，使用相同的電池，但增加了基于 LTC3107 的熱能收集器，以延長(cháng)電池壽命。
圖 1：一個(gè)典型的電池供電無(wú)線(xiàn)傳感器系統的簡(jiǎn)化方框圖
圖 2：具電池和 LTC3107 熱能收集器的無(wú)線(xiàn)傳感器系統
圖 3 顯示了通過(guò)增設熱能收集實(shí)現的預期電池壽命延長(cháng)，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(guò)使用一個(gè)熱能收集器，電池壽命可以延長(cháng)幾年
在所收集的熱功率大于負載所需的平均功率時(shí)，絕不用電池給負載供電，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(lái)作為 LTC3107 的基準電壓以提供輸出電壓調節。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 所示系統而言，當 TEG 連接至可收集熱源時(shí)，諸如僅比環(huán)境溫度高 12°C 的溫熱管道或機器時(shí)，LTC3107 就可以完全用收集的能量給 250µW 負載供電，從而在電池保存壽命期內，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，輸出電壓穩定在大約比未加載電池電壓低 30mV 的電壓值上，對系統負載而言是無(wú)縫和透明的，從而為所設計的系統提供一個(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(lái)給負載供電。(請注意，在這些圖中，由于示波器探頭和 LTC3107 內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載使 BAT_OFF 的高電平電壓降至低于 VOUT。)
圖 4：PHARVEST > PLOAD 時(shí)收集器的波形
如果負載需求超過(guò)收集器的供電能力，那么就按照需要，用電池來(lái)保持輸出電壓，并提供負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載電流，以最大限度降低電池電流，并最大限度延長(cháng)電池壽命。BAT_OFF 信號保持低電平，即使有些負載電流是由收集器提供。這種情況下的波形如圖 5 所示。請注意，在這種情況下，LTC3107 將 VOUT 調節至大約比實(shí)際電池電壓低 220mV。
圖 5：PHARVEST < PLOAD 時(shí)收集器的波形
如果負載是動(dòng)態(tài)的，從較低值向較高值轉變，那么 BAT_OFF 信號就會(huì )在高電平和低電平之間出現脈沖變化，指示何時(shí)收集器能夠向負載供電，何時(shí)需要電池。圖 6 所示波形說(shuō)明了這種情況，該波形在瞬間的負載階躍時(shí)出現。
圖 6：短暫的負載瞬態(tài)超過(guò) PHARVEST 時(shí)收集器的波形
為了進(jìn)一步延長(cháng)電池壽命，LTC3107 可在輕負載時(shí)通過(guò) VSTORE 引腳上電容值較大的電容器存儲多余的收集能量，以在重負載時(shí)支持 VOUT。為了方便使用超級電容器 (超級電容器典型情況下最高電壓額定值為 5V)，VSTORE 引腳上的電壓從內部箝位至最高 4.48V。
在負載增大時(shí)，這種能量存儲功能可在恢復至電池電源之前自動(dòng)使用存儲的能量保持 VOUT，可降低或消除了電池泄漏。在圖 7 所示波形中說(shuō)明了這一點(diǎn)。這時(shí)可以看到，在輕負載時(shí)已經(jīng)升高的 VSTORE 電壓在負載增大時(shí)下降了，因為向負載提供了能量�？梢钥吹�，VOUT 沒(méi)有下降，BAT_OFF 信號仍然保持高電平，這指示即使在負載瞬態(tài)時(shí)電池也未用來(lái)支持輸出。
圖 7：用 VSTORE 功能支持負載瞬間增大
在無(wú)收集能量可用、存儲能量耗盡的情況下，輸出功率全部由電池提供，就像沒(méi)有收集器一樣，同時(shí) VOUT 穩定在比電池電壓低 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 負載。這種情況下的收集器波形與圖 5 所示相同。
為了針對 VOUT 端短路情況保護電池，從 VBATT 到 VOUT 的電流限制到最低 30mA 和最大 100mA。因此，當靠電池運行時(shí)，可以支持至少 30mA 的穩態(tài)負載。如果需要，可以在短時(shí)間內用 VOUT 端的去耦電容器支持較大的瞬態(tài)負載。
收集器產(chǎn)生的穩態(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，而且受到 TEG 低溫側使用的散熱器熱阻的影響。收集能量提供的輸出電流在穩態(tài)時(shí)可能低至數微安直至幾毫安。從 VSTORE 到 VOUT 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(guò) LTC3107 充電控制電路的內部通路電阻 (典型值約為 120Ω) 的限制。因此 VSTORE 電流典型情況下也限制到數毫安，而且未打算支持很大的負載瞬態(tài)。這應該由 VOUT 去耦電容器應對。
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)內部低壓差 (LDO) 穩壓器穩定在 2.2V，可用來(lái)給高達 10mA 的負載供電。如果必要，這個(gè) 2.2V LDO 也可由收集器和電池供電。
總結
為了方便在多種新的和現有的主電池供電應用中采用熱能收集技術(shù)，LTC3107 設計為在 2V 至 4V 電池電壓范圍內工作。這個(gè)范圍包括了在較低功率應用中使用的大多數流行的長(cháng)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，又可以最少的設計工作量和采用熱能收集而降低了維護成本。 |
