基于環(huán)境微能量的溫差發(fā)電能量收集轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

摘 要：溫差發(fā)電技術(shù)是一種將熱能轉(zhuǎn)換為電能的新型清潔能源收集技術(shù)，為了提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低能量轉(zhuǎn)換電路的功耗，結(jié)合BQ25504芯片高轉(zhuǎn)換效率和LTC3108低輸入電壓的工作特性，設(shè)計了一種雙電源芯片切換工作狀態(tài)的能量管理系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)輸入電壓的大小，通過比較器判斷，切換LTC3108和BQ25504分別進行能量收集，提升了系統(tǒng)收集能量的效率。此外，驗證了在不同工作狀態(tài)下能量管理系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：能量管理系統(tǒng)；溫差發(fā)電；TEG；LTC3108；BQ25504；升壓；穩(wěn)壓

中圖分類號：TP211；TN384 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.024

0 引 言

自然界中的光能、機械能、熱能、射頻能、生物能可以通過太陽能電池板、壓電陶瓷、熱電發(fā)生器（Thermoelectric Generator， TEG）、射頻能量采集器、生物電池等新型能量收集器，將不同形式的環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為電能，但這些電能無法直接存儲或提供給設(shè)備使用，需專用的能量轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換[1]。目前TEG受熱電材料性能影響，溫差發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率一般為5%～7%，啟動溫差一般需5 ℃以上。雖然基于溫差發(fā)電應(yīng)用研究較少，但在航天、醫(yī)療等領(lǐng)域，溫差發(fā)電技術(shù)已取得了部分應(yīng)用[2]。如美國Biophan公司研發(fā)的微型溫差發(fā)電器，貼在人體皮膚上，產(chǎn)生的電能可為植入人體的電池充電[3]。

熱電發(fā)生器將熱能轉(zhuǎn)化為電能，通過能量管理系統(tǒng)[4]將微小電能轉(zhuǎn)換升壓并存儲，為后級負載供電。文獻[5]利用LTC3108芯片設(shè)計了具有超低功率管理電路的溫差發(fā)電能量采集器，該裝置能有效收集電能并存到電容中。文獻[6]通過檢測TEG開路電壓，調(diào)整DC/DC電路的等效阻抗進行阻抗匹配，實現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率跟蹤，從而提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。但這種方式在檢測開路電壓時需要與TEG斷開，導(dǎo)致無法連續(xù)收集能量，降低了系統(tǒng)的效率。文獻[7]綜述了熱電領(lǐng)域中DC-DC變換器，介紹了各種變換器的工作模式、工作狀態(tài)，并比較了各自的優(yōu)缺點。文獻[8]提出了Boost升壓轉(zhuǎn)換器的阻抗匹配的最大功率點跟蹤控制方案，并進行了實驗驗證，表明該方案具有較低的自身功耗和較高的效率。

為提高溫差發(fā)電能量轉(zhuǎn)換效率，降低能量轉(zhuǎn)換電路的功耗，結(jié)合BQ25504芯片高轉(zhuǎn)換效率和LTC3108低輸入電壓的工作特性，設(shè)計了一種雙電源芯片切換工作狀態(tài)的能量管理系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)輸入電壓的大小，切換LTC3108和BQ25504分別進行能量收集，提升系統(tǒng)收集能量的效率。

1 溫差發(fā)電能量管理系統(tǒng)

如圖1所示，溫差發(fā)電能量管理系統(tǒng)由熱源、熱電發(fā)生器（TEG）、升壓電路、穩(wěn)壓電路、儲能元件等構(gòu)成。

1.1 TEG的結(jié)構(gòu)特性

TEG是一類利用塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)換成電能的固態(tài)器件[9]。TEG內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如圖2所示，基本單元由N型電偶和P型電偶及電極組成，當(dāng)TEG兩端半導(dǎo)體熱電材料存在溫度差時，由于塞貝克效應(yīng)，P型電偶的載流子空穴會從熱端向冷端擴散，N型電偶的載流子電子從熱端向冷端擴散，在P型電偶和N型電偶的冷端之間產(chǎn)生電勢。TEG產(chǎn)生的電壓與材料的塞貝克系數(shù)、傳熱系數(shù)、電導(dǎo)率、溫差相關(guān)，即：

（1）

式中：α為材料的塞貝克系數(shù)；σ為材料的電導(dǎo)率；λ為材料的傳熱系數(shù)；ΔT為TEG兩端溫度差；VOC為開路電壓。

從式（1）可知，TEG產(chǎn)生的電壓與材料本身特性有關(guān)，還與TEG兩端溫度差有關(guān)，成正比關(guān)系。圖3為TEG溫度差-電壓輸出特性。

1.2 溫差發(fā)電能量轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)提出雙電源芯片交替切換工作能量管理系統(tǒng)，采用LTC3108和BQ25504雙芯片結(jié)構(gòu)搭建PMS。LTC3108直流升壓電路采用如圖4所示的升壓型拓撲結(jié)構(gòu)，LTC3108是高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換芯片，可實現(xiàn)20 mV的最低輸入電壓，極低的靜態(tài)電流，可配置2.2 V、2.35 V、3.3 V、4.1 V、5 V多種電壓等級的輸出電壓。該電路能夠滿足微處理器、傳感器以及無線傳輸模塊等絕大多數(shù)工作需求。

雖然LTC3108開啟工作的輸入電壓低至20 mV，但LTC3108直流升壓電路無法實現(xiàn)阻抗匹配，導(dǎo)致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率較低。因此，LTC3108的應(yīng)用場合受到了很大程度的限制。

在能量轉(zhuǎn)換效率方面，德州儀器BQ25504電源芯片具備可編程超低功耗的升壓轉(zhuǎn)換器，適合滿足超低功耗應(yīng)用的特殊需求?？梢怨芾砀鞣N直流源如光伏電池、溫差發(fā)電所產(chǎn)生的μW至mW級功率[10]，超低靜態(tài)電流小于330 nA，可連續(xù)從VIN大于80 mV的輸入源收集能量，冷啟動電壓VIN大于330 mV，具有串聯(lián)的動態(tài)MPPT，所收集的能量可儲存在儲能元件[11]。

2 能量管理系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 能量管理系統(tǒng)的工作原理

如圖5所示，結(jié)合LTC3108與BQ25504的優(yōu)點，設(shè)計的能量管理電路根據(jù)能量輸入大小，電路通過比較器控制電路工作在3個不同的狀態(tài)，不同工作狀態(tài)的切換由2∶1多路復(fù)用器K1，K2，K3和K5組合導(dǎo)通完成，多路復(fù)用器開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷通過儲能元件C2或C3充電達到工作電壓實現(xiàn)。能量管理系統(tǒng)的工作原理如圖6所示。

（1）工作狀態(tài)1：系統(tǒng)啟動

當(dāng)TEG產(chǎn)生的電壓低于20 mV時，工作電路處于休眠狀態(tài)；當(dāng)TEG產(chǎn)生的電壓達到20 mV后，TEG產(chǎn)生的電能經(jīng)K1與變壓器輸入LTC3108。LTC3108的SW引腳與變壓器構(gòu)成反激變換器，控制SW引腳的通斷，實現(xiàn)升壓功能。LTC3108輸出電壓通過開關(guān)K2給電容C1充電。當(dāng)C1的電壓升至1.25 V時，MOSFET管開關(guān)K4導(dǎo)通，當(dāng)BQ25504的Vin引腳電壓升至1.25 V時，完成系統(tǒng)的冷啟動。

系統(tǒng)的能量流動路徑為：TEG—K1①—變壓器—LTC3108—C1/K2③—BQ25504—C2。

（2）工作狀態(tài)2：高溫差輸入工作

系統(tǒng)退出啟動時，隨著TEG兩端溫差的增大，系統(tǒng)輸入電壓逐漸升高，當(dāng)BQ25504的VSTOR引腳上的電壓高于設(shè)定的1.8 V時，VBAT_OK引腳產(chǎn)生一個高電平信號，觸發(fā)開關(guān)K1與K2改變其導(dǎo)通路徑，BQ25504進入工作狀態(tài)，完成能量管理收集。

系統(tǒng)的能量流動路徑為：TEG—K1②—K3⑤—BQ25504—C2/K5⑦—穩(wěn)壓器。

（3）工作狀態(tài)3：低溫差輸入

當(dāng)TEG的溫差較低時，TEG產(chǎn)生的電壓范圍為

20～150 mV，比較器輸出高電平改變開關(guān)K3和K5的路徑，LTC3108進入正常工作狀態(tài)，完成能量管理收集，為電容C3充電，經(jīng)穩(wěn)壓器為后級設(shè)備供電。

工作狀態(tài)3系統(tǒng)的能量流動路徑：TEG—K1②—K3⑥—變壓器—LTC3108—K2④—C3/K5⑧—穩(wěn)壓器。

2.2 能量管理系統(tǒng)的能量收集測試

在3種不同的輸入電壓下，驗證能量管理電路在對應(yīng)

3種工作狀態(tài)下收集能量的有效性。

系統(tǒng)啟動工作狀態(tài)測試，系統(tǒng)輸入電壓130 mV，經(jīng)LTC3108與變壓器構(gòu)成反激變換器升壓后給C1充電，當(dāng)C1的電壓達到1.25 V預(yù)設(shè)閾值時，MOSFET管開關(guān)K4導(dǎo)通，BQ25504的輸入電壓為1.25 V，完成系統(tǒng)冷啟動。圖7為系統(tǒng)啟動過程中C1、VBAT、VSTOR的測試波形圖。由于系統(tǒng)預(yù)設(shè)了C2的初始電壓為2.5 V，高于VBAT_OK，BQ25504內(nèi)部VBAT與VSTOR連接，VBAT_OK引腳產(chǎn)生高電平信號，系統(tǒng)進入后續(xù)工作狀態(tài)。

高溫差輸入工作狀態(tài)測試，系統(tǒng)輸入電壓220 mV，電能經(jīng)K1②—K3⑤—BQ25504—C2/K5⑦—穩(wěn)壓器路徑實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。經(jīng)測試，儲能元件C2上的電壓為3.4 V，系統(tǒng)由BQ25504完成能量收集。相關(guān)測試波形如圖8所示。

低溫差輸入工作狀態(tài)測試，系統(tǒng)輸入電壓100 mV，電能經(jīng)K1②—K3⑥—變壓器—LTC3108—K2④—C3/K5⑧—穩(wěn)壓器路徑實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)由LTC3108完成能量收集，在該工作狀態(tài)下，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能很低，但能夠?qū)δ茉﨏1充電到預(yù)設(shè)的閾值。

3 結(jié) 語

通過實驗測試，在3種不同的輸入電壓下，能量管理電路在對應(yīng)的3種工作狀態(tài)下均能收集能量。TEG輸出的電壓范圍為20～150 mV，LTC3108芯片完成能量收集，電壓高于150 mV后由BQ25504芯片完成能量收集。由于TEG輸出的電壓在mV級，能量管理系統(tǒng)大部分時間由LTC3108芯片完成能量收集工作，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率僅為10%～20%。如果電路的前端TEG模塊更換成太陽能電池，能量管理系統(tǒng)工作效率將會顯著提高。

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收稿日期：2023-04-23 修回日期：2023-05-30

基金項目：2021年天水市科技支撐計劃項目（2021-FZJHK-98 87）；2021年甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目（GSJD 2021B05）