探索LTC3107：超低電壓能量收集與電池壽命延長(zhǎng)的利器

在低功耗無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，如何有效利用環(huán)境中的微弱能量并延長(zhǎng)電池使用壽命一直是工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。今天我們就來(lái)深入了解一款專為解決這些問(wèn)題而設(shè)計(jì)的高度集成DC/DC轉(zhuǎn)換器——LTC3107。

文件下載：LTC3107.pdf

LTC3107簡(jiǎn)介

LTC3107是一款能夠從極低輸入電壓源（如TEGs和熱電堆）收集和管理多余能量的器件，它可以顯著延長(zhǎng)低功耗無(wú)線系統(tǒng)中一次電池的使用壽命。其工作的輸入電壓低至20mV，采用小型升壓變壓器，為典型的無(wú)線傳感器應(yīng)用提供了完整的電源管理解決方案。

主要特性

• 能量收集與電源管理：具備熱能收集輔助電源管理系統(tǒng)，可無(wú)縫從電池供電切換到收集的能量供電。
• 輸出特性：輸出電壓（VOUT）可跟蹤一次電池電壓，還有2.2V的LDO輸出和鉗位至4.3V的備用能量輸出。
• 低功耗特性：從電池汲取的靜態(tài)電流極低，能量收集時(shí)為80nA，無(wú)能量收集時(shí)為6μA。
• 緊湊封裝：采用小型、熱增強(qiáng)型10引腳（3mm × 3mm）DFN封裝。

典型應(yīng)用

LTC3107的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了工業(yè)無(wú)線傳感、遠(yuǎn)程傳感器和無(wú)線電供電、HVAC、自動(dòng)計(jì)量、樓宇自動(dòng)化、安全系統(tǒng)、預(yù)測(cè)性維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

技術(shù)特性剖析

絕對(duì)最大額定值與工作溫度范圍

了解器件的絕對(duì)最大額定值和工作溫度范圍對(duì)于確保其正常工作和可靠性至關(guān)重要。LTC3107的SW電壓范圍為 -0.3V至2V，VAUX的輸入電流最大為15mA，各引腳電壓和溫度都有相應(yīng)的限制，工作結(jié)溫范圍為 -40°C至125°C。

電氣特性

LTC3107的電氣特性決定了其在不同工作條件下的性能。例如，使用1:100變壓器匝數(shù)比時(shí)，最小收集器啟動(dòng)電壓典型值為20mV，收集器空載輸入電流典型值為3mA，輸入電壓范圍從啟動(dòng)電壓到500mV。

典型性能特性

這些特性曲線展示了LTC3107在不同條件下的輸出電流、效率、輸入電阻等參數(shù)隨輸入電壓的變化情況。例如，不同變壓器匝數(shù)比下的IVOUT和效率與VIN的關(guān)系曲線，能幫助工程師選擇合適的變壓器以滿足特定應(yīng)用的需求。

引腳功能與工作原理

引腳功能

LTC3107的每個(gè)引腳都有其特定的功能，合理使用這些引腳對(duì)于充分發(fā)揮器件性能至關(guān)重要。

• VAUX（引腳1）：內(nèi)部整流電路的輸出和IC的VCC，需用10μF電容旁路，有源并聯(lián)穩(wěn)壓器將其鉗位至4.3V（典型值）。
• VSTORE（引腳2）：可選能量存儲(chǔ)電容的輸出，可連接大容量電容存儲(chǔ)多余收集的能量。
• VOUT（引腳3）：轉(zhuǎn)換器的主要輸出，根據(jù)收集能量的情況進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。
• VBAT（引腳4）：一次電池輸入，為啟動(dòng)IC和輸出供電，同時(shí)作為VOUT的參考電壓。
• VLDO（引腳5）：2.2V LDO的輸出，由VOUT或VAUX中較高的電壓供電。
• GND（引腳6和暴露焊盤(pán)引腳11）：IC的接地引腳，暴露焊盤(pán)需焊接到PCB接地平面以散熱。
• BAT_OFF（引腳7）：電池使用指示器，邏輯低表示電池用于輔助調(diào)節(jié)VOUT。
• C1（引腳8）：電荷泵和整流電路的輸入，需連接電容到升壓變壓器的次級(jí)繞組。
• C2（引腳9）：N溝道柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸入，需連接電容到升壓變壓器的次級(jí)繞組。
• SW（引腳10）：內(nèi)部N溝道開(kāi)關(guān)的漏極，連接到變壓器的初級(jí)繞組。

工作原理

LTC3107通過(guò)智能管理從TEG等源收集的能量，在滿足輸出需求的同時(shí)最小化電池消耗，從而延長(zhǎng)電池壽命。其工作過(guò)程包括振蕩、電荷泵和整流、電壓調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)。

• 振蕩器：利用MOSFET開(kāi)關(guān)和外部升壓變壓器及小耦合電容形成諧振升壓振蕩器，將低至20mV的輸入電壓提升到足夠高的值以提供多個(gè)穩(wěn)壓輸出電壓。
• 電荷泵和整流：變壓器次級(jí)繞組產(chǎn)生的交流電壓通過(guò)外部電荷泵電容和內(nèi)部整流器進(jìn)行升壓和整流，為VAUX引腳充電。
• 電壓調(diào)節(jié)：VOUT根據(jù)收集能量的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)能量充足時(shí)，電壓比VBAT低30mV；當(dāng)能量不足時(shí)，比VBAT低230mV。

應(yīng)用信息與注意事項(xiàng)

能量收集輸入電壓源

LTC3107可以從多種低輸入電壓源獲取能量，如熱電發(fā)電機(jī)（TEG）、熱電堆和線圈磁體換能器等。不同的電壓源具有不同的特性，選擇合適的輸入源和優(yōu)化其與LTC3107的匹配對(duì)于提高能量收集效率至關(guān)重要。

• TEG：利用塞貝克效應(yīng)，當(dāng)兩個(gè)陶瓷板溫度不同時(shí)產(chǎn)生直流輸出電壓。LTC3107可在低至1°C - 2°C的溫度差下工作，適用于存在溫度差的應(yīng)用場(chǎng)景。
• 熱電堆發(fā)電機(jī)：適用于溫度升高過(guò)高的應(yīng)用，輸出電壓較高，推薦使用較低的變壓器匝數(shù)比。

元件選擇

正確選擇元件對(duì)于LTC3107的性能和可靠性至關(guān)重要。

• 升壓變壓器：匝數(shù)比決定了轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)電壓，推薦使用1:100的匝數(shù)比以實(shí)現(xiàn)低至20mV的啟動(dòng)電壓。同時(shí)，變壓器繞組的直流電阻和電感會(huì)影響效率和振蕩頻率。
• C1電容：連接在變壓器次級(jí)繞組和C1引腳之間，影響轉(zhuǎn)換器的輸入電阻和最大輸出電流能力。
• 防止振蕩不穩(wěn)定（Squegging）：在C2引腳的耦合電容上并聯(lián)一個(gè)泄放電阻（100k - 1MΩ）可避免Squegging現(xiàn)象，提高平均輸出電流能力。

電容器選型

• VOUT電容：對(duì)于脈沖負(fù)載應(yīng)用，需根據(jù)負(fù)載電流、脈沖持續(xù)時(shí)間和允許的電壓降來(lái)確定電容值，以避免電池供電。
• VSTORE電容：可選用大容量電容存儲(chǔ)能量，需根據(jù)負(fù)載電流和存儲(chǔ)時(shí)間來(lái)確定電容值，同時(shí)要確保其工作電壓額定值足夠高。

PCB布局指南

在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，由于LTC3107的諧振轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率較低和功率水平較低，PCB布局相對(duì)不像其他DC/DC轉(zhuǎn)換器那樣關(guān)鍵，但仍需注意一些事項(xiàng)。連接到VIN、變壓器初級(jí)和LTC3107的SW和GND引腳的線路應(yīng)盡量減少雜散電阻引起的電壓降，并能承受高達(dá)500mA的電流。同時(shí)，要盡量減少輸出電壓引腳的漏電流源。

典型應(yīng)用案例

遠(yuǎn)程傳感器應(yīng)用

利用熱能收集延長(zhǎng)一次電池壽命，通過(guò)連接TEG和LTC3107，為傳感器和發(fā)射器供電。VSTORE電容可提供長(zhǎng)達(dá)6小時(shí)的備用電源，在平均負(fù)載為200μW時(shí)無(wú)需使用電池。

熱電堆供電電池壽命延長(zhǎng)器

使用Honeywell CQ200熱電堆為L(zhǎng)TC3107供電，搭配3V硬幣電池，為低功耗應(yīng)用提供穩(wěn)定的電源。

太陽(yáng)能供電電池壽命延長(zhǎng)器

利用室內(nèi)照明，通過(guò)太陽(yáng)能電池板和LTC3107為電池充電，延長(zhǎng)電池使用壽命。

相關(guān)零件推薦

Linear Technology還提供了一系列與LTC3107相關(guān)的零件，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。例如，LT3009是一款低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器，LTC3103和LTC3104是具有超低靜態(tài)電流的同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器等。

總之，LTC3107為低功耗無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)高效、可靠的電源管理解決方案。通過(guò)合理選擇元件和優(yōu)化PCB布局，工程師可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)能量收集和電池壽命延長(zhǎng)的目標(biāo)。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似的電源管理問(wèn)題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。