2 能量收集电路设计
凌力尔特公司推出了一种电源管理芯片LTC3108，用来实现对微弱能量的管理和利用。电路输入端采用了一个小型的升压变压器，利用一个耗尽型N通道MOSFET开关来形成一个谐振升压振荡器，可以将最低20 mV的电压升高，并提供给其他电路使用。输出端Vout可设定4种不同的电压输出：2.5 V，3 V，3.7 V和4.5 V，输出端Vout2具有逻辑控制功能，Vstore端口可以为电池充电[10]。
2.1 能量收集策略分析
分析胎压传感器的电路可知，胎压传感器的供电电压在3 V左右，而能量收集电路的本质是通过电荷的累积和释放来为传感器供能，当电荷累积不足时，电路就无法提供足够的电压来驱动传感器。需要说明的是，如果将能量收集电路的输出端直接和传感器负载连接，电荷将随着负载回路流失，最终造成驱动电压永远也无法达到可以驱动传感器的电压准线[11]。
图4所示为设计的能量收集策略示意图，首先利用开关将传感器负载和电能输出端隔离开，利用能量收集电路收集电能，并储存在电容中。当电容中的电能储存足够时，控制开关闭合并驱动胎压传感器工作。
2.2 能量收集电路设计
设计选用N-MOS作为开关，通过控制能量收集电路与传感器的电路的负极是否共地来控制电路中的电流。选择英飞凌的SP370传感器作为负载，LTC3108作为能量管理芯片，电容C4作为存储电容。图5所示为设计的电路原理图，变压器T1型号为LPR6235-752RMR，升压比1:50，MOS管S1型号为AO3400。
如图6所示，LTC3108芯片的PGD端口可作为阈值电压检测输出端口。当Vout输出电压达到电压3.4 V时，PGD端口输出高电位信号，但PGD无法直接驱动MOS管，于是将PGD端口与使能端Vout2-EN连接，利用可控输出端Vout2为MOS管提供栅极电压。具体的控制过程如下：
(1)充能状态：当TEGs开始输出电能时，能量收集电路开始工作，电容C4开始存储电能，Vout上升。此时，PGD输出低电平，S1关断，传感器电路与能量收集电路断开。
(2)导通状态：当Vout=3.4 V时，PGD输出高电位，通过使能端控制Vout2=3.3 V，S1接通传感器电路的负极形成回路，并在传感器两端产生驱动电压。
(3)关断状态：传感器电路与能量收集电路接通后，Vout电压下降，PGD不再为使能端Vout2-EN提供高电平信号。电容C3和电阻R1组成延时关断电路控制S1延时关断，为胎压传感器提供足够的工作时间。
3 实验测试与结果
本实验采用可编程线性直流电压电源DP832A模拟100 mV的热电器件电能输出，设定输入电压Vin=100 mV，输入电流Iin=10 mA，输入功率Pin=1 mW。利用安捷伦数字万用表采集存储电容C1两端、N-MOS栅源极和负载两端的电压波形，并分析能量收集电路对微能量的使用效率。
图7所示为在S1的栅源极电压波形，图8为电容C1两端电压波形。试验表明在100 mV，1 mW的毫瓦级的低功率的输入下，Vout2端口成功实现了根据存储电容C1的状态控制MOSFET的接通和断开。图8所示为储能电容C4电压波形，从电压波形可以看出能量收集电路的积累和释放的过程，在每一个周期内，储能电容C4电压在MOSFET的关断时间内上升至3.4 V，在MOSFET的导通期间，电容电压从3.4 V释放电流，并下降至3.15 V，然后在MOSFET的控制下重新开始收集电能。分析数据可知，能量收集电路可以驱动胎压传感器每4.5 s发射一次数据，基本满足了胎压传感器的平时工作要求，具有相当好的实际应用潜力。
