作者：Tony Armstrong，電源產品部產品市場總監，凌力爾特公司

放眼世界各地，工程師們都在提供旨在利用非傳統型能源的新穎和革新方法，以解決現實問題。提升的安全性和易接近性、較低的維護成本、改善的能量效率和系統靈活性只是借助“采集”能量、無線檢測和監視/控制系統所能獲得的諸多好處中的一少部分。能源的高成本、新出臺的政府條例和環境問題導致人們對于在各種場合中提高功率使用效率的需求大幅度地增長。新興的可替代能源技術以及功率利用率的改善擁有在眾多不同的市場之中實現性能突破的潛力。此外，不管從短期還是長期而言，能夠利用這些新技術的新產品都意味著絕佳的成長機遇。

許多低功率工業傳感器和控制器正在逐步轉而采用可替代能源作為主要或輔助的供能方式。理想的狀況是：這種采集能量將完全免除增設有線電源或電池的需要。利用現成的物理電源（例如：溫差裝置[熱電發生器或熱電堆]、機械振動[壓電或機電裝置]和光[光伏器件]）來產生電力的換能器正在成為許多應用的適用電源。眾多的無線傳感器、遠程監視器和其他低功率應用正逐漸發展成為只使用采集能量的近“零”功率器件（有些人通常稱之為“毫微功率”）。

雖然“能量采集”自2000年初就出現了（當時為其萌芽期），但只是憑借近期的技術發展才將其推進至商業化階段。簡而言之，2010年我們將迎來其“成長”階段。運用能量采集技術的樓宇自動化傳感器應用已經在歐洲得到推廣，這說明其成長階段可能已拉開序幕。

現有的應用證實了商業可行性

盡管能量采集的概念廣為人知已有多年，但在某種實際環境中實現一個系統卻很麻煩、復雜和昂貴。然而，采用了能量采集方法的市場實例包括交通運輸基礎設施、無線醫療設備、輪胎壓力檢測，樓宇自動化當然也在其中。就樓宇自動化而言，諸如占有傳感器、溫度自動調節器和光開關等系統能夠免除通常所需的電源或控制線路，而代之以一個機械或能量采集系統。除了可以免除首先進行線路安裝（或在無線應用中定期更換電池）的需要之外，這種替代方法還能減低有線系統往往存在的例行維護成本。

同樣，運用能量采集技術的無線網絡能夠將一幢建筑物內任何數目的傳感器連接起來，以通過在建筑物內無人的情況下切斷非緊要區域的供電來降低采暖、通風和空調（HVAC）以及照明成本。此外，能量采集電子線路的成本常常低于檢測線路的運行成本，因此，選用采集電能技術顯然能夠帶來經濟上的收益。

典型的能量采集配置或系統（由下面的圖1所示的4個主要的電路系統模塊來表示）通常包括一種免費能源，比如：連接在某個發熱源（如HVAC管道）上的熱電發生器（TEG）或熱電堆。這些小型熱電器件能夠將很小的溫差轉換為電能。該電能隨后可由一個能量采集電路（圖1中的第二個模塊）進行轉換并被變更為一種可用的形式，用于給下游電路供電。這些下游電子線路通常將包括某種類型的傳感器、模數轉換器和一個超低功率微控制器（圖1中的第三個模塊）。上述元件可以獲取該采集能量（如今以電流的形式存在）并喚醒一個傳感器，以獲得一個讀數或測量結果，然后使該數據可通過一個超低功率無線收發器（由圖1所示電路鏈中的第四個模塊來表示）進行傳輸。

圖1：典型能量采集系統的四個主要的模塊

該鏈路中的每個電路系統模塊（能源本身可能是個例外）都特有一組迄今為止有損于其商業可行性的約束條件。低成本和低功率傳感器及微控制器面市已有相當長的時間；然而，超低功率收發器只是在過去的短短幾年里才剛剛實現了商用化。不過，該鏈路中處于落后狀態的則一直是能量采集器和電源管理器。

現有的電源管理器模塊實現方案是一種低性能分立型結構，通常包括 35個或更多的元件。此類設計具有低轉換效率和高靜態電流。這兩個不足之處導致了終端系統中的性能損失。低轉換效率將增加系統上電所需的時間，這反過來又延長了從獲取一個傳感器讀數至傳輸該數據的時間間隔。高靜態電流則對能量采集電源能夠低到何種程度有所限制，因為它首先必須超越操作所需的電流水平，然后才能將任何剩余的能量用于給輸出供電。較后，它還需要非常高深的模擬開關模式電源專門知識，而擁有此項專長的人才都很短缺！

“缺失的一環”（您要這么說也未嘗不可）一直是能夠采集和管理來自極低輸入電源電壓剩余能量的高集成度DC/DC轉換器。不過，這種狀況即將發生改變。

缺失的一環

凌力爾特近期推出了其LTC3108，這是一款超低電壓升壓型轉換器和電源管理器，專為極大地簡化采集和管理來自極低輸入電壓電源（例如：熱電堆、熱電發生器[TEG]、甚至小型太陽能電池）的剩余能量的任務而設計。其升壓拓撲結構可在低至20mV的輸入電壓條件下運作。這是很重要，因為它使得LTC3108能夠從一個溫度變化量小至1℃的TEG收集能量——相比之下，由于分立型實現方案高靜態電流的原因，其想要做到這一點則相當吃力。

圖2中給出的電路采用了一個小的升壓型變壓器，用于提升至一個LTC3108的輸入電壓電源，這樣就提供了一款適合無線檢測和數據采集的完整電源管理解決方案。它能夠采集小的溫差并生成系統電源，而并未使用傳統的電池電源。

圖2：在無線遠程傳感器應用中使用的LTC3108從一個 TEG（Peltier Cell）來供電

LTC3108利用一個耗盡型N溝道MOSFET開關來形成一個諧振升壓振蕩器（采用一個外部升壓變壓器和一個小耦合電容器）。這使得它能夠將一個低至20mV的輸入電壓升舉至足夠高的電平，以提供多個用于給其他電路供電的已調輸出電壓。振蕩的頻率由變壓器副端繞組的電感決定，通常在20kHz至200kHz的范圍內。

對于低至20mV的輸入電壓，建議采用一個約 1:100 的主-副端匝數比。對于較高的輸入電壓，可采用一個較低的匝數比。這些變壓器是標準的市售元件，而且隨時可以向磁性元件供應商訂購。20mV的低電壓運作正是憑借我們的復合耗盡型N溝道MOSFET得以實現的。

由圖3可見，LTC3108采取了一種解決復雜問題的“系統級”方法。它能夠轉換低電壓電源并管理多個輸出之間的能量。在變壓器副端繞組上產生的AC電壓采用一個外部充電泵電容器（連接在副端繞組和引腳C1之間）以及LTC3108內部的整流器進行升壓和整流。該整流器電路將電流饋入V_AUX引腳，并把電荷輸送至外部V_AUX電容器，而后至其他輸出。

內部2.2V LDO可支持一個低功率處理器或其他的低功率IC。該LDO由V_AUX和V_OUT兩者當中數值較高的那個來供電。這使得它能夠在V_AUX充電至2.3V（此時V_OUT存儲電容器仍然處于充電過程之中）時立即進入運行狀態。如果 LDO輸出端上存在一個階躍負載，則在V_AUX降至低于V_OUT的情況下電流可以取自主V_OUT電容器。LDO輸出能夠提供高達3mA的電流。

圖3：LTC3108方框圖

V_OUT上的主輸出電壓從V_AUX電源來充電，并可由用戶采用電壓選擇引腳VS1和VS2設置為4種已調輸出電壓之一。4種固定輸出電壓是：2.35V（用于超級電容器）、3.3V（用于標準電容器）、4.1V（用于鋰離子電池終端）或5V（用于較高的能量存儲）和一個主系統電源軌（用于給一個無線發送器或傳感器供電）—— 從而免除了增設阻值達數兆歐（MΩ）的外部電阻器的需要。因此，與那些需要非常大阻值電阻器的分立型設計不同，LTC3108并不要求采用特殊的電路板涂層以較大限度地減少泄漏。

第二個輸出（V_OUT2）可以由主微處理器采用V_{OUT2_EN}引腳來接通和關斷。當被使能時，V_OUT2通過一個P溝道MOSFET開關與V_OUT相連。該輸出可用于為諸如傳感器或放大器等不具備低功率睡眠或停機功能的外部電路供電。作為樓宇溫度自動調節器內置檢測電路一部分的MOSFET的上電和斷電便是此類實例之一。

V_STORE電容器可以具有非常大的電容值（幾千μF甚至F），以在有可能失去輸入電源的時候提供保持作用。一旦上電操作完成，則主輸出、備用輸出和開關輸出均可使用。如果輸入電源發生故障，則操作仍然能夠借助V_STORE電容器的供電而得以持續。V_STORE輸出可用于在V_OUT達到穩壓狀態之后對一個大存儲電容器或可再充電電池進行充電。在V_OUT達到穩壓狀態以后，將允許V_STORE輸出充電至高達V_AUX電壓（該電壓被箝位于5.3V）。V_STORE上的電能存儲元件不僅能夠在失去輸入電源的情況下用于給系統供電，而且還能夠在輸入電源所具備的能量不足時用于補充V_OUT1、V_OUT2和LDO輸出所需要的電流。

一個電源良好比較器負責監視V_OUT電壓。一旦V_OUT充電至其已調電壓的7%以內，則PGOOD輸出將走高。如果V_OUT從其已調電壓下降9%以上，則PGOOD將走低。PGOOD 輸出專為驅動一個微處理器或其他芯片I/O而設計，且并非用于驅動諸如 LED 等較高電流負載。

結論

總之，LTC3108熱能采集、DC-DC升壓型轉換器和系統管理器是一款革命性的器件，可以從太陽能電池、熱電發