背景
“能量採集”的概念自 2000 年初就出現了，但憑藉著近期的技術發展，相關的概念才推展至商業化階段。目前，全球的工程師們都積極地開發著利用非傳統型能源的新穎方法。其中，更高的安全性和易取得性、較低的維護成本、更高的能量效率和系統彈性，都還只是借助“採集”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小部分，新興的可替代能源技術、以及功率利用率的改善，都在眾多的市場中實現著性能突破的潛力。
許多低功率工業感測器和控制器正在逐步轉而採用可替代能源作為主要或輔助的供能方式。利用現成的物理電源，例如熱電產生器或熱電堆、壓電或機電裝置和光伏元件來產生電力的換能器，正在成為許多應用的適用電源。眾多的無線感測器、遠端監視器和其他低功率應用正逐漸發展成為只使用採集能量的“毫微功率”元件。
現有應用證實其商業可行性
採用了能量採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。儘管能量採集的概念已行之有年，但在某種實際環境中實現一個系統卻很麻煩、複雜和昂貴。就樓宇自動化而言，諸如感測器、溫度自動調節器和光開關等系統，可免除一般所需的電源或控制線路，而代之以一個機械或能量採集系統。這種替代方法除了可免除進行線路安裝 ，或在無線應用中定期更換電池的需要之外，還能減低有線系統的例行維護成本。
同樣的，運用能量採集技術的無線網路能夠將一幢建築物內任何數目的感測器連接起來，以在建築物內無人的情況下切斷非重要區域的供電，進而降低取暖、通風和空調 (HVAC) 以及照明成本。此外，能量採集電子線路的成本常常低於檢測線路的運行成本，因此，選用採集電能技術顯然能夠帶來經濟上的收益。
典型的能量採集配置或系統 (圖 1 所示的 4 個主要電路系統模組) 通常包括一種免費能源，比如：連接在某個發熱源 (如 HVAC 管道) 上的熱電產生器 (TEG) 或熱電堆。這些小型熱電元件能夠將很小的溫差轉換為電能。該電能隨後可由一個能量採集電路 (圖 1 第二個模組) 進行轉換並被變更為一種可用的形式，用於為下游電路供電。這些下游電子線路通常將包括某種類型的感測器、類比數位轉換器和一個超低功率微控制器 (圖 1 中的第三個模組)。上述元件可以獲取該採集能量 (如今以電流的形式存在) 並喚醒一個感測器，以獲得一個讀數或測量結果，然後使該資料可透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組來表示) 進行傳輸。
圖1：典型能量採集系統的四個主要的模組
低成本和低功率感測器及微控制器問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裏方才實現了商用化。不過，該鏈路中處於落後狀態的則一直是能量採集器和電源管理器。
現有的電源管理器模組實現方案是一種低效能的分立式結構，通常包括 35 以上元件。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的效能損失。低轉換效率將增加系統上電所需的時間，反過來又延長了從獲取一個感測器讀數至傳輸該資料的時間間隔。高靜態電流則對能量採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準，然後才能將任何剩餘的能量用於給輸出供電。最後，它還需要非常深類比開關模式電源專門知識，而擁有此項專長的人才目前非常短缺。
“缺失的一環(missing link)”是能夠採集和管理來自極低輸入電源電壓剩餘能量的高整合度 DC/DC 轉換器。然而，這種狀況即將發生改變。
缺失的一環
凌力爾特最近推出了 LTC3108，這是一款超低電壓升壓轉換器和電源管理器，專為大幅簡化採集和管理來自極低輸入電壓電源 (例如：熱電堆、熱電產生器、甚至小型太陽能電池) 的剩餘能量而設計。其升壓架構可在低至 20mV 的輸入電壓條件下運作。這點相當重要，因為它使得 LTC3108 能夠從一個溫度變化量小至 1ºC 的 TEG 收集能量 —— 相較之下，由於分立式實現方案高靜態電流的原因，要達到此點則相當吃力。
圖 2的電路採用了一個小型升壓變壓器，用於提升至一個 LTC3108 的輸入電壓電源，如此提供了一款適合無線檢測和資料擷取的完整電源管理解決方案。其能夠採集小的溫差並生成系統電源，且並未使用傳統的電池電源。
圖2：在無線遠端感測器應用中使用 LTC3108 從一個 TEG 來供電
LTC3108 利用一個耗盡型 N 通道 MOSFET 開關來形成一個諧振升壓振盪器。這使其能將一個低至 20mV 的輸入電壓升高至足夠高的位準，以提供多個用於給其他電路供電的已調輸出電壓。振盪的頻率由變壓器副端繞組的電感決定，通常在 20kHz 至 200kHz 的範圍內。
對於低至 20mV 的輸入電壓，建議採用一個約 1:100 的主-副端匝數比。對於較高的輸入電壓，可採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藉複合耗盡型 N 通道 MOSFET 來實現的。
圖 3 可見LTC3108 採取了一種解決複雜問題的“系統級”方法。其能轉換低電壓電源並管理多個輸出之間的能量。在變壓器副端繞組上產生的 AC 電壓採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 VAUX 引腳，並把電荷輸送至外部 VAUX 電容，而後至其他輸出。
內部 2.2V LDO 可支援一個低功率處理器或其他的低功率 IC。該 LDO 由 VAUX 和 VOUT 兩者當中數值較高的那個來供電。這使得它能夠在 VAUX 充電至 2.3V (此時 VOUT 儲存電容器仍然處於充電過程之中) 時立即進入操作狀態。如果 LDO 輸出端上存在一個階躍負載，則在 VAUX 降至低於 VOUT 的情況下電流可以取自主 VOUT 電容。LDO 輸出能夠提供高達 3mA 的電流。
圖3：LTC3108 方框圖
VOUT 上的主輸出電壓從 VAUX 電源來充電，並可由用戶採用電壓選擇引腳 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 (用於超級電容器)、3.3V (用於標準電容)、4.1V (用於鋰離子電池終端) 或 5V (用於較高的能量儲存) 和一個主系統電源軌 (用於給一個無線發送器或感測器供電) —— 從而免除了增設阻值達數兆歐 (MΩ) 的外部電阻的需要。因此，與那些需要非常大阻值電阻的分立式設計不同，LTC3108 並不要求採用特殊的電路板塗層以最大限度地減少洩漏。
第二個輸出 (VOUT2) 可以由主微處理器採用 VOUT2_EN 引腳來導通和關斷。當被致能時，VOUT2 透過一個 P 通道 MOSFET 開關與 VOUT 相連。該輸出可用於為諸如感測器或放大器等不具備低功率睡眠或關機功能的外部電路供電。在建築物溫度自動調節器內，作為建檢測電路之一的MOSFET 之上電和斷電便是此實例之一。
VSTORE 電容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 VSTORE 電容的供電而得以持續。VSTORE 輸出可用於在 VOUT 達到穩壓狀態之後對一個大儲存電容或可再充電電池進行充電。在 VOUT 達到穩壓狀態以後，將允許 VSTORE 輸出充電至高達 VAUX 電壓 (該電壓被箝位於 5.3V)。VSTORE 上的電能記憶元件不僅能夠在失去輸入電源的情況下用於給系統供電，而且還能夠在輸入電源所具備的能量不足時用於補充 VOUT1、VOUT2 和 LDO 輸出所需要的電流。
一個電源良好比較器負責監視 VOUT 電壓。一旦 VOUT 充電至其已調電壓的 7% 以內，則 PGOOD 輸出將走高。如果 VOUT 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晶片 I/O 而設計，且並非用於驅動諸如 LED 等較高電流負載。
結論LTC3108熱能採集、DC-DC 升壓轉換器和系統管理器的獨特的諧振功率轉換器架構，使其能在 20mV 的極低輸入電壓條件下啟動。其可從太陽能電池、熱電產生器或其他相似的熱源擷取能量，因此堪稱是革命性的元件，而其此元件所擁有的高整合度 (包括電源管理控制器和市售外部元件)，已使其成為目前市面上用來構成完整能量採集鏈的解決方案中，一款最小、結構最簡單且易於使用的產品。
“能量採集”的概念自 2000 年初就出現了，但憑藉著近期的技術發展，相關的概念才推展至商業化階段。目前，全球的工程師們都積極地開發著利用非傳統型能源的新穎方法。其中，更高的安全性和易取得性、較低的維護成本、更高的能量效率和系統彈性，都還只是借助“採集”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小部分，新興的可替代能源技術、以及功率利用率的改善，都在眾多的市場中實現著性能突破的潛力。
許多低功率工業感測器和控制器正在逐步轉而採用可替代能源作為主要或輔助的供能方式。利用現成的物理電源，例如熱電產生器或熱電堆、壓電或機電裝置和光伏元件來產生電力的換能器，正在成為許多應用的適用電源。眾多的無線感測器、遠端監視器和其他低功率應用正逐漸發展成為只使用採集能量的“毫微功率”元件。
現有應用證實其商業可行性
採用了能量採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。儘管能量採集的概念已行之有年，但在某種實際環境中實現一個系統卻很麻煩、複雜和昂貴。就樓宇自動化而言，諸如感測器、溫度自動調節器和光開關等系統，可免除一般所需的電源或控制線路，而代之以一個機械或能量採集系統。這種替代方法除了可免除進行線路安裝 ，或在無線應用中定期更換電池的需要之外，還能減低有線系統的例行維護成本。
同樣的，運用能量採集技術的無線網路能夠將一幢建築物內任何數目的感測器連接起來，以在建築物內無人的情況下切斷非重要區域的供電，進而降低取暖、通風和空調 (HVAC) 以及照明成本。此外，能量採集電子線路的成本常常低於檢測線路的運行成本，因此，選用採集電能技術顯然能夠帶來經濟上的收益。
典型的能量採集配置或系統 (圖 1 所示的 4 個主要電路系統模組) 通常包括一種免費能源，比如：連接在某個發熱源 (如 HVAC 管道) 上的熱電產生器 (TEG) 或熱電堆。這些小型熱電元件能夠將很小的溫差轉換為電能。該電能隨後可由一個能量採集電路 (圖 1 第二個模組) 進行轉換並被變更為一種可用的形式，用於為下游電路供電。這些下游電子線路通常將包括某種類型的感測器、類比數位轉換器和一個超低功率微控制器 (圖 1 中的第三個模組)。上述元件可以獲取該採集能量 (如今以電流的形式存在) 並喚醒一個感測器，以獲得一個讀數或測量結果，然後使該資料可透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組來表示) 進行傳輸。
圖1：典型能量採集系統的四個主要的模組
低成本和低功率感測器及微控制器問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裏方才實現了商用化。不過，該鏈路中處於落後狀態的則一直是能量採集器和電源管理器。
現有的電源管理器模組實現方案是一種低效能的分立式結構，通常包括 35 以上元件。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的效能損失。低轉換效率將增加系統上電所需的時間，反過來又延長了從獲取一個感測器讀數至傳輸該資料的時間間隔。高靜態電流則對能量採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準，然後才能將任何剩餘的能量用於給輸出供電。最後，它還需要非常深類比開關模式電源專門知識，而擁有此項專長的人才目前非常短缺。
“缺失的一環(missing link)”是能夠採集和管理來自極低輸入電源電壓剩餘能量的高整合度 DC/DC 轉換器。然而，這種狀況即將發生改變。
缺失的一環
凌力爾特最近推出了 LTC3108，這是一款超低電壓升壓轉換器和電源管理器，專為大幅簡化採集和管理來自極低輸入電壓電源 (例如：熱電堆、熱電產生器、甚至小型太陽能電池) 的剩餘能量而設計。其升壓架構可在低至 20mV 的輸入電壓條件下運作。這點相當重要，因為它使得 LTC3108 能夠從一個溫度變化量小至 1ºC 的 TEG 收集能量 —— 相較之下，由於分立式實現方案高靜態電流的原因，要達到此點則相當吃力。
圖 2的電路採用了一個小型升壓變壓器，用於提升至一個 LTC3108 的輸入電壓電源，如此提供了一款適合無線檢測和資料擷取的完整電源管理解決方案。其能夠採集小的溫差並生成系統電源，且並未使用傳統的電池電源。
圖2：在無線遠端感測器應用中使用 LTC3108 從一個 TEG 來供電
LTC3108 利用一個耗盡型 N 通道 MOSFET 開關來形成一個諧振升壓振盪器。這使其能將一個低至 20mV 的輸入電壓升高至足夠高的位準，以提供多個用於給其他電路供電的已調輸出電壓。振盪的頻率由變壓器副端繞組的電感決定，通常在 20kHz 至 200kHz 的範圍內。
對於低至 20mV 的輸入電壓，建議採用一個約 1:100 的主-副端匝數比。對於較高的輸入電壓，可採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藉複合耗盡型 N 通道 MOSFET 來實現的。
圖 3 可見LTC3108 採取了一種解決複雜問題的“系統級”方法。其能轉換低電壓電源並管理多個輸出之間的能量。在變壓器副端繞組上產生的 AC 電壓採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 VAUX 引腳，並把電荷輸送至外部 VAUX 電容，而後至其他輸出。
內部 2.2V LDO 可支援一個低功率處理器或其他的低功率 IC。該 LDO 由 VAUX 和 VOUT 兩者當中數值較高的那個來供電。這使得它能夠在 VAUX 充電至 2.3V (此時 VOUT 儲存電容器仍然處於充電過程之中) 時立即進入操作狀態。如果 LDO 輸出端上存在一個階躍負載，則在 VAUX 降至低於 VOUT 的情況下電流可以取自主 VOUT 電容。LDO 輸出能夠提供高達 3mA 的電流。
圖3：LTC3108 方框圖
VOUT 上的主輸出電壓從 VAUX 電源來充電，並可由用戶採用電壓選擇引腳 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 (用於超級電容器)、3.3V (用於標準電容)、4.1V (用於鋰離子電池終端) 或 5V (用於較高的能量儲存) 和一個主系統電源軌 (用於給一個無線發送器或感測器供電) —— 從而免除了增設阻值達數兆歐 (MΩ) 的外部電阻的需要。因此，與那些需要非常大阻值電阻的分立式設計不同，LTC3108 並不要求採用特殊的電路板塗層以最大限度地減少洩漏。
第二個輸出 (VOUT2) 可以由主微處理器採用 VOUT2_EN 引腳來導通和關斷。當被致能時，VOUT2 透過一個 P 通道 MOSFET 開關與 VOUT 相連。該輸出可用於為諸如感測器或放大器等不具備低功率睡眠或關機功能的外部電路供電。在建築物溫度自動調節器內，作為建檢測電路之一的MOSFET 之上電和斷電便是此實例之一。
VSTORE 電容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 VSTORE 電容的供電而得以持續。VSTORE 輸出可用於在 VOUT 達到穩壓狀態之後對一個大儲存電容或可再充電電池進行充電。在 VOUT 達到穩壓狀態以後，將允許 VSTORE 輸出充電至高達 VAUX 電壓 (該電壓被箝位於 5.3V)。VSTORE 上的電能記憶元件不僅能夠在失去輸入電源的情況下用於給系統供電，而且還能夠在輸入電源所具備的能量不足時用於補充 VOUT1、VOUT2 和 LDO 輸出所需要的電流。
一個電源良好比較器負責監視 VOUT 電壓。一旦 VOUT 充電至其已調電壓的 7% 以內，則 PGOOD 輸出將走高。如果 VOUT 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晶片 I/O 而設計，且並非用於驅動諸如 LED 等較高電流負載。
結論LTC3108熱能採集、DC-DC 升壓轉換器和系統管理器的獨特的諧振功率轉換器架構，使其能在 20mV 的極低輸入電壓條件下啟動。其可從太陽能電池、熱電產生器或其他相似的熱源擷取能量，因此堪稱是革命性的元件，而其此元件所擁有的高整合度 (包括電源管理控制器和市售外部元件)，已使其成為目前市面上用來構成完整能量採集鏈的解決方案中，一款最小、結構最簡單且易於使用的產品。
