热电源dc-dc升压变换器的设计

Hazli拉菲¹，哈密顿A.H²阿兹黛安娜先生¹, A.Jaafar^3.a·a·拉蒂夫⁴， H.H.M.尤索夫¹W.H.M.萨阿德⁵

马来西亚马六甲榴莲东加尔大学工业电子系讲师
教授，工业电子系，马来西亚马六甲榴莲东加尔大学工业电子系
讲师，计算机工程系，FKEKK, UTeM, Durian Tunggal, Melaka, Malaysia
电讯工程系讲师，FKEKK, UTeM, Durian Tunggal, Melaka, Malaysia
计算机工程系高级讲师，FKEKK, UTeM, Durian Tunggal, Melaka, Malaysia

摘要

介绍了一种用于高温热电冷却器升压的DC-DC升压变换器的设计。由于TEC产生的电压非常小，从0.2 V到0.8V，所以使用无源元件是不合理的。本设计采用集成电路max757作为DC-DC升压变换器。MAX757可以将输入电压降低到0.7 V，并产生更高的可调输出电压，范围从2.7 V到5.5 V。对所设计电路在不同温度下的性能进行了验证，并对输出电压进行了分析。该电路设计简单，成本低，可以方便地从TEC升压小电压。因此，这种设计的电路将非常有希望为小型电子应用供电，如监测系统中的传感器电路。

关键字

热电冷却器(TEC)， DC-DC升压转换器和温度

I.INTRODUCTION

目前，能量收集技术在能源市场上具有巨大的应用潜力。这是由于它在绿色技术方面的优势。TEC是一种基于热电转换将热能直接转化为电能的装置，称为塞贝克效应[1]。与传统发电机相比，TEC具有可靠性高、体积小、寿命长、无运动部件、环保等优点。图1显示了本设计中用作电源发电机的TEC (TEC1-12706)的结构。TEC结构由热电材料组成，热电材料分别被两个热交换板夹在其两端。其中一个换热器温度较高，因此被称为TEC热侧。另一侧温度较低，称为TEC冷侧。两个交换器之间的温度差异导致导体中连续的电流流动。

基本上，DC-DC升压变换器包括将电能存储到电容器和电感等元件中，并将能量释放到负载中。通过控制能量储存和释放的时间，可以控制变流器负载中出现的平均电压水平。因此，平均负载电压水平可以高于或低于电源的电压水平。能量储存状态和能量释放状态的旋转由开关器件实现。目前，在DC-DC变换器中最常用的开关器件是晶体管。在一个开关周期内，每个状态的时间长度反映在输入到开关晶体管栅极的信号的占空比上。传统的DC-DC变换器是将交流信号转换成直流信号。这有一些缺点，如复杂的电路，中断的线路干扰和暴露于雷击，能够鼓励击穿电源[2-4]。在本研究中，使用DC-DC升压变换器将TEC的小电压升压到目标功能块所需的电压水平。TEC产生的功率以毫瓦(mw)为单位，由于转换器在工作过程中消耗功率，因此不适合使用晶体管作为开关器件。本文提出了一种采用集成电路MAX757的DC-DC升压变换器，MAX757是一种用于小、低输入电压[5]的CMOS升压DC-DC开关稳压器。 The integrated circuit MAX757 offers an adjustable version that accepts an input voltage down to 0.7V and generates a higher adjustable output voltage in the range from 2.7V to 5.5V.

2设计电路说明

所提出的热电电源的框图如图2所示。它使用废热。它由三个主要部分组成:将热能转化为电能的TEC;一个小输入电压DC-DC升压转换器，用于提高产生的TEC电压v1和一个开关肖特基二极管(IN5817)，用于在拟议的TEC电源和电池之间自动选择电源。HB公司在建议的热电电源中选择的TEC尺寸为40mm x 40mm x 3.8mm，可在-30°C至138°C范围内工作。

如图3所示，设计了一个DC-DC转换器，使用MAX757提高TEC的产生电压V1。该电路可以在2.7V到5.5V的范围内将电压V1提高到0.7到更高的输出电压v2。输出电压v2由两个网络电阻R1和R2设定。这在输出端和FB引脚之间形成一个分压器，VREF = 1.25V，如图3所示。输出电压，Vout可通过:

(1)

由于FB处的输入偏置电流最大电流为100nA，因此可以选择较大的R1和R2值，在本设计电路中R1 = 10kΩ， R2 = 3.33kΩ。MAX757包含用于低电量检测的片上电路。如果低电池输入(LBI)电压低于稳压器的内部参考电压(1.25V)，低电池输出(LBO)是一个开漏输出，将电流吸收到GND。低电量监视器的阈值由两个电阻R3和R4设置，它们在输入电压和LBI引脚之间形成分压器。阈值电压由R3和R4设定。本设计电路中使用的两个电阻分别为10kΩ和5kΩ，用下式确定其值:

（2）

在本设计中也考虑了电感的选择。电感的饱和电流额定值应等于或大于峰值开关电流限制1.2A。22μH电感在MAX757的典型应用电路中使用，因此在本设计中使用了22μH电感。肖特基二极管1N5817用于实现最佳性能，如图3所示。该二极管具有低开关噪声、低正向压降、大电流能力、高开关能力、高可靠性和高浪涌能力。

3实验结果

A. TEC电流电压特性及最大功率跟踪

TEC模块的表征是通过将热源的温度设置为100°C进行的，热源与十进盒电阻串联，如图4所示。十进盒电阻器的值从10kΩ到1Ω不等。然后，测量TEC在不同电阻值下产生的电流和输出电压V1。在本实验中，使用了高输入电阻电压表来最小化负载效应。图5显示了电流与输出电压V1的关系，即电流与输出电压V1成反比。该图还显示，产生的电流和电压都很低。如果电路只使用无源元件，这不足以作为源电压。然而，通过使用这种设计的DC-DC升压变换器，可以提高产生的小电压。

B.设计的DC-DC升压变换器的测量结果

为了评估所设计的DC-DC升压变换器的性能，使用图7所示的电路进行了一系列测量。DC-DC升压变换器的输入端连接TEC模块，DCDC升压变换器的输出端连接高输入电阻电压表，测量输出电压V2。TEC模块夹在热源表面(TEC热侧)和散热器表面(TEC冷侧)之间。散热器安装在冷侧，以保持低温并产生更高的电压。改变热源温度，对产生的输出电压V1和V2进行编码，如图8所示。

图8显示了输出电压与温度的关系。该图显示了为评估设计的DC-DC升压转换器从5°C到100°C的性能而设置的°C温度的数量。输出电压V1和V2都与温度成正比。在5℃~ 40℃的温度范围内，由于输入电压V1低于所设计的DC-DC升压变换器所需的最小输入电压0.7V，因此输入电压V1未被变换器升压而等于输出电压V2。当温度升高到40℃以上时，输出电压V1也随之升高。所设计的DC-DC升压变换器能够对电压V1进行升压，输出电压V2急剧升高，直至温度达到65℃。65℃时，输出电压V1为1.4V, V2为5.2V。当温度持续升高至100°C时，输出电压V1一致上升，但输出电压v2似乎在5.2至5.4V范围内饱和，这是所设计的DC-DC升压转换器的最大产生电压。

IV.CONCLUSION

本文介绍了一种基于塞贝克效应的TEC热电电源。设计理念的一大优点是，TEC能源采集器用于回收工业过程中的废热，作为可再生能源和绿色技术。实验结果证实，所设计的DC-DC升压变换器能够产生所需的输出电压，为其他电子电路供电。如果需要更高的输出电压，可以在设计的DC-DC升压转换器上连接一级DC-DC升压转换器。

鸣谢

作者感谢马六甲teknikal大学，因为这项工作得到了该大学PJP资助计划的财政支持(编号:PJP/2012/FKEKK(39A)/S01043)。

参考文献

M. Jaegle，“热电系统的多物理场模拟- Peltier-冷却和热电生成的建模”，第1期。2008
Vadirajacharya。K, AshishKharche, HarisKulakarni, VivekLandage，“基于GSM技术的变压器健康状态监测”，国际科学与工程研究杂志第3卷，第12期，2012年12月。
BálintNémeth, SzilviaLaboncz, István Kiss“基于DGA和模糊逻辑的电力变压器状态监测”，电气绝缘会议，2009。启德集团2009年。电子工程学报，2009,pp373 - 376。
黄艳昌，黄朝明，“基于小波网络的电力变压器状态监测”，电力工程学报，第17卷，第2期，2002。
Jeffrey Snyder和Tristan S. Ursell，“热电效率和兼容性”，物理评论快报，Vol. 91, No. 14, 2003。