基于環境微能量的溫差發電能量收集轉換電路的設計

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

關鍵詞：能量管理系統；溫差發電；TEG；LTC3108；BQ25504；升壓；穩壓

中圖分類號：TP211；TN384 文獻標識碼：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，將不同形式的環境能量轉換為電能，但這些電能無法直接存儲或提供給設備使用，需專用的能量轉換電路進行轉換[1]。目前TEG受熱電材料性能影響，溫差發電的能量轉換效率一般為5%～7%，啟動溫差一般需5 ℃以上。雖然基于溫差發電應用研究較少，但在航天、醫療等領域，溫差發電技術已取得了部分應用[2]。如美國Biophan公司研發的微型溫差發電器，貼在人體皮膚上，產生的電能可為植入人體的電池充電[3]。

熱電發生器將熱能轉化為電能，通過能量管理系統[4]將微小電能轉換升壓并存儲，為后級負載供電。文獻[5]利用LTC3108芯片設計了具有超低功率管理電路的溫差發電能量采集器，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，調整DC/DC電路的等效阻抗進行阻抗匹配，實現系統的最大功率跟蹤，從而提高系統的轉換效率。但這種方式在檢測開路電壓時需要與TEG斷開，導致無法連續收集能量，降低了系統的效率。文獻[7]綜述了熱電領域中DC-DC變換器，介紹了各種變換器的工作模式、工作狀態，并比較了各自的優缺點。文獻[8]提出了Boost升壓轉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。

為提高溫差發電能量轉換效率，降低能量轉換電路的功耗，結合BQ25504芯片高轉換效率和LTC3108低輸入電壓的工作特性，設計了一種雙電源芯片切換工作狀態的能量管理系統，系統根據輸入電壓的大小，切換LTC3108和BQ25504分別進行能量收集，提升系統收集能量的效率。

1 溫差發電能量管理系統

如圖1所示，溫差發電能量管理系統由熱源、熱電發生器（TEG）、升壓電路、穩壓電路、儲能元件等構成。

1.1 TEG的結構特性

TEG是一類利用塞貝克效應將熱能轉換成電能的固態器件[9]。TEG內部的結構如圖2所示，基本單元由N型電偶和P型電偶及電極組成，當TEG兩端半導體熱電材料存在溫度差時，由于塞貝克效應，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生電勢。TEG產生的電壓與材料的塞貝克系數、傳熱系數、電導率、溫差相關，即：

（1）

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

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

1.2 溫差發電能量轉換電路

根據提出雙電源芯片交替切換工作能量管理系統，采用LTC3108和BQ25504雙芯片結構搭建PMS。LTC3108直流升壓電路采用如圖4所示的升壓型拓撲結構，LTC3108是高度集成的DC/DC轉換芯片，可實現20 mV的最低輸入電壓，極低的靜態電流，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阻抗匹配，導致系統的轉換效率較低。因此，LTC3108的應用場合受到了很大程度的限制。

在能量轉換效率方面，德州儀器BQ25504電源芯片具備可編程超低功耗的升壓轉換器，適合滿足超低功耗應用的特殊需求。可以管理各種直流源如光伏電池、溫差發電所產生的μW至mW級功率[10]，超低靜態電流小于330 nA，可連續從VIN大于80 mV的輸入源收集能量，冷啟動電壓VIN大于330 mV，具有串聯的動態MPPT，所收集的能量可儲存在儲能元件[11]。

2 能量管理系統的設計

2.1 能量管理系統的工作原理

如圖5所示，結合LTC3108與BQ25504的優點，設計的能量管理電路根據能量輸入大小，電路通過比較器控制電路工作在3個不同的狀態，不同工作狀態的切換由2∶1多路復用器K1，K2，K3和K5組合導通完成，多路復用器開關的導通和關斷通過儲能元件C2或C3充電達到工作電壓實現。能量管理系統的工作原理如圖6所示。

（1）工作狀態1：系統啟動

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

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

（2）工作狀態2：高溫差輸入工作

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

系統的能量流動路徑為：TEG—K1②—K3⑤—BQ25504—C2/K5⑦—穩壓器。

（3）工作狀態3：低溫差輸入

當TEG的溫差較低時，TEG產生的電壓范圍為

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

工作狀態3系統的能量流動路徑：TEG—K1②—K3⑥—變壓器—LTC3108—K2④—C3/K5⑧—穩壓器。

2.2 能量管理系統的能量收集測試

在3種不同的輸入電壓下，驗證能量管理電路在對應

3種工作狀態下收集能量的有效性。

系統啟動工作狀態測試，系統輸入電壓130 mV，經LTC3108與變壓器構成反激變換器升壓后給C1充電，當C1的電壓達到1.25 V預設閾值時，MOSFET管開關K4導通，BQ25504的輸入電壓為1.25 V，完成系統冷啟動。圖7為系統啟動過程中C1、VBAT、VSTOR的測試波形圖。由于系統預設了C2的初始電壓為2.5 V，高于VBAT_OK，BQ25504內部VBAT與VSTOR連接，VBAT_OK引腳產生高電平信號，系統進入后續工作狀態。

高溫差輸入工作狀態測試，系統輸入電壓220 mV，電能經K1②—K3⑤—BQ25504—C2/K5⑦—穩壓器路徑實現電能轉換。經測試，儲能元件C2上的電壓為3.4 V，系統由BQ25504完成能量收集。相關測試波形如圖8所示。

低溫差輸入工作狀態測試，系統輸入電壓100 mV，電能經K1②—K3⑥—變壓器—LTC3108—K2④—C3/K5⑧—穩壓器路徑實現電能轉換。系統由LTC3108完成能量收集，在該工作狀態下，系統產生的電能很低，但能夠將儲能元件C1充電到預設的閾值。

3 結 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的3種工作狀態下均能收集能量。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，能量管理系統大部分時間由LTC3108芯片完成能量收集工作，系統的轉換效率僅為10%～20%。如果電路的前端TEG模塊更換成太陽能電池，能量管理系統工作效率將會顯著提高。

參考文獻

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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年甘肅機電職業技術學院科研項目（GSJD 2021B05）