基于环境微能量的温差发电能量收集转换电路的设计

摘 要：温差发电技术是一种将热能转换为电能的新型清洁能源收集技术，为了提高能量转换效率，降低能量转换电路的功耗，结合BQ25504芯片高转换效率和LTC3108低输入电压的工作特性，设计了一种双电源芯片切换工作状态的能量管理系统，系统根据输入电压的大小，通过比较器判断，切换LTC3108和BQ25504分别进行能量收集，提升了系统收集能量的效率。此外，验证了在不同工作状态下能量管理系统的有效性。

关键词：能量管理系统；温差发电；TEG；LTC3108；BQ25504；升压；稳压

中图分类号：TP211；TN384 文献标识码：A 文章编号：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、机械能、热能、射频能、生物能可以通过太阳能电池板、压电陶瓷、热电发生器（Thermoelectric Generator， TEG）、射频能量采集器、生物电池等新型能量收集器，将不同形式的环境能量转换为电能，但这些电能无法直接存储或提供给设备使用，需专用的能量转换电路进行转换[1]。目前TEG受热电材料性能影响，温差发电的能量转换效率一般为5%～7%，启动温差一般需5 ℃以上。虽然基于温差发电应用研究较少，但在航天、医疗等领域，温差发电技术已取得了部分应用[2]。如美国Biophan公司研发的微型温差发电器，贴在人体皮肤上，产生的电能可为植入人体的电池充电[3]。

热电发生器将热能转化为电能，通过能量管理系统[4]将微小电能转换升压并存储，为后级负载供电。文献[5]利用LTC3108芯片设计了具有超低功率管理电路的温差发电能量采集器，该装置能有效收集电能并存到电容中。文献[6]通过检测TEG开路电压，调整DC/DC电路的等效阻抗进行阻抗匹配，实现系统的最大功率跟踪，从而提高系统的转换效率。但这种方式在检测开路电压时需要与TEG断开，导致无法连续收集能量，降低了系统的效率。文献[7]综述了热电领域中DC-DC变换器，介绍了各种变换器的工作模式、工作状态，并比较了各自的优缺点。文献[8]提出了Boost升压转换器的阻抗匹配的最大功率点跟踪控制方案，并进行了实验验证，表明该方案具有较低的自身功耗和较高的效率。

为提高温差发电能量转换效率，降低能量转换电路的功耗，结合BQ25504芯片高转换效率和LTC3108低输入电压的工作特性，设计了一种双电源芯片切换工作状态的能量管理系统，系统根据输入电压的大小，切换LTC3108和BQ25504分别进行能量收集，提升系统收集能量的效率。

1 温差发电能量管理系统

如图1所示，温差发电能量管理系统由热源、热电发生器（TEG）、升压电路、稳压电路、储能元件等构成。

1.1 TEG的结构特性

TEG是一类利用塞贝克效应将热能转换成电能的固态器件[9]。TEG内部的结构如图2所示，基本单元由N型电偶和P型电偶及电极组成，当TEG两端半导体热电材料存在温度差时，由于塞贝克效应，P型电偶的载流子空穴会从热端向冷端扩散，N型电偶的载流子电子从热端向冷端扩散，在P型电偶和N型电偶的冷端之间产生电势。TEG产生的电压与材料的塞贝克系数、传热系数、电导率、温差相关，即：

（1）

式中：α为材料的塞贝克系数；σ为材料的电导率；λ为材料的传热系数；ΔT为TEG两端温度差；VOC为开路电压。

从式（1）可知，TEG产生的电压与材料本身特性有关，还与TEG两端温度差有关，成正比关系。图3为TEG温度差-电压输出特性。

1.2 温差发电能量转换电路

根据提出双电源芯片交替切换工作能量管理系统，采用LTC3108和BQ25504双芯片结构搭建PMS。LTC3108直流升压电路采用如图4所示的升压型拓扑结构，LTC3108是高度集成的DC/DC转换芯片，可实现20 mV的最低输入电压，极低的静态电流，可配置2.2 V、2.35 V、3.3 V、4.1 V、5 V多种电压等级的输出电压。该电路能够满足微处理器、传感器以及无线传输模块等绝大多数工作需求。

虽然LTC3108开启工作的输入电压低至20 mV，但LTC3108直流升压电路无法实现阻抗匹配，导致系统的转换效率较低。因此，LTC3108的应用场合受到了很大程度的限制。

在能量转换效率方面，德州仪器BQ25504电源芯片具备可编程超低功耗的升压转换器，适合满足超低功耗应用的特殊需求。可以管理各种直流源如光伏电池、温差发电所产生的μW至mW级功率[10]，超低静态电流小于330 nA，可连续从VIN大于80 mV的输入源收集能量，冷启动电压VIN大于330 mV，具有串联的动态MPPT，所收集的能量可储存在储能元件[11]。

2 能量管理系统的设计

2.1 能量管理系统的工作原理

如图5所示，结合LTC3108与BQ25504的优点，设计的能量管理电路根据能量输入大小，电路通过比较器控制电路工作在3个不同的状态，不同工作状态的切换由2∶1多路复用器K1，K2，K3和K5组合导通完成，多路复用器开关的导通和关断通过储能元件C2或C3充电达到工作电压实现。能量管理系统的工作原理如图6所示。

（1）工作状态1：系统启动

当TEG产生的电压低于20 mV时，工作电路处于休眠状态；当TEG产生的电压达到20 mV后，TEG产生的电能经K1与变压器输入LTC3108。LTC3108的SW引脚与变压器构成反激变换器，控制SW引脚的通断，实现升压功能。LTC3108输出电压通过开关K2给电容C1充电。当C1的电压升至1.25 V时，MOSFET管开关K4导通，当BQ25504的Vin引脚电压升至1.25 V时，完成系统的冷启动。

系统的能量流动路径为：TEG—K1①—变压器—LTC3108—C1/K2③—BQ25504—C2。

（2）工作状态2：高温差输入工作

系统退出启动时，随着TEG两端温差的增大，系统输入电压逐渐升高，当BQ25504的VSTOR引脚上的电压高于设定的1.8 V时，VBAT_OK引脚产生一个高电平信号，触发开关K1与K2改变其导通路径，BQ25504进入工作状态，完成能量管理收集。

系统的能量流动路径为：TEG—K1②—K3⑤—BQ25504—C2/K5⑦—稳压器。

（3）工作状态3：低温差输入

当TEG的温差较低时，TEG产生的电压范围为

20～150 mV，比较器输出高电平改变开关K3和K5的路径，LTC3108进入正常工作状态，完成能量管理收集，为电容C3充电，经稳压器为后级设备供电。

工作状态3系统的能量流动路径：TEG—K1②—K3⑥—变压器—LTC3108—K2④—C3/K5⑧—稳压器。

2.2 能量管理系统的能量收集测试

在3种不同的输入电压下，验证能量管理电路在对应

3种工作状态下收集能量的有效性。

系统启动工作状态测试，系统输入电压130 mV，经LTC3108与变压器构成反激变换器升压后给C1充电，当C1的电压达到1.25 V预设阈值时，MOSFET管开关K4导通，BQ25504的输入电压为1.25 V，完成系统冷启动。图7为系统启动过程中C1、VBAT、VSTOR的测试波形图。由于系统预设了C2的初始电压为2.5 V，高于VBAT_OK，BQ25504内部VBAT与VSTOR连接，VBAT_OK引脚产生高电平信号，系统进入后续工作状态。

高温差输入工作状态测试，系统输入电压220 mV，电能经K1②—K3⑤—BQ25504—C2/K5⑦—稳压器路径实现电能转换。经测试，储能元件C2上的电压为3.4 V，系统由BQ25504完成能量收集。相关测试波形如图8所示。

低温差输入工作状态测试，系统输入电压100 mV，电能经K1②—K3⑥—变压器—LTC3108—K2④—C3/K5⑧—稳压器路径实现电能转换。系统由LTC3108完成能量收集，在该工作状态下，系统产生的电能很低，但能够将储能元件C1充电到预设的阈值。

3 结 语

通过实验测试，在3种不同的输入电压下，能量管理电路在对应的3种工作状态下均能收集能量。TEG输出的电压范围为20～150 mV，LTC3108芯片完成能量收集，电压高于150 mV后由BQ25504芯片完成能量收集。由于TEG输出的电压在mV级，能量管理系统大部分时间由LTC3108芯片完成能量收集工作，系统的转换效率仅为10%～20%。如果电路的前端TEG模块更换成太阳能电池，能量管理系统工作效率将会显著提高。

参考文献

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[11]徐锋，刘高平.基于室内弱光能量采集的蓝牙信标设计[J].浙江万里学院学报，2023，36（2）：98-106.

收稿日期：2023-04-23 修回日期：2023-05-30

基金项目：2021年天水市科技支撑计划项目（2021-FZJHK-98 87）；2021年甘肃机电职业技术学院科研项目（GSJD 2021B05）