【導讀】隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)設備越來(lái)越多地用于工業(yè)設備、家居自動(dòng)化和醫療應用中，通過(guò)減小外形尺寸、提高效率、改善電流消耗，或者加快充電時(shí)間（對于便攜式物聯(lián)網(wǎng)設備）來(lái)優(yōu)化這些設備的電源管理的壓力也越來(lái)越大。所有這些都必須以小尺寸實(shí)現，既不能影響散熱，也不能干擾這些設備實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信。
物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域存在多種表現形式，它通常是指一種智能聯(lián)網(wǎng)電子設備，可能由電池供電，并將預先計算的數據發(fā)送給基于云的基礎設施。它利用嵌入式系統集合體（例如處理器、通信IC和傳感器）來(lái)收集、響應數據，并將數據發(fā)送回網(wǎng)絡(luò )的中心位置或其他節點(diǎn)。這可以是任何東西，例如簡(jiǎn)單的溫度傳感器，用于向中央監控區域報告室溫，或者設備健康監測器，用于跟蹤監測價(jià)格高昂的工廠(chǎng)設備的長(cháng)期健康狀況。
最終，開(kāi)發(fā)這些設備是為了解決特定挑戰，無(wú)論是為了自動(dòng)執行通常需要人工干預的任務(wù)，比如家居或樓宇自動(dòng)化，還是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用中提高設備的可用性和使用壽命，如果考慮在基于架構的應用（例如橋梁）中實(shí)現狀態(tài)監控應用，甚至可以提升安全性。
應用示例
物聯(lián)網(wǎng)設備的應用領(lǐng)域幾乎沒(méi)有止境，每天都會(huì )考量新的設備和使用情況?；谥悄馨l(fā)射器的應用收集有關(guān)其所處環(huán)境的數據，以做出控制溫度、觸發(fā)警報或自動(dòng)執行特定任務(wù)的相關(guān)決策。此外，煤氣表和空氣質(zhì)量測量系統這類(lèi)便攜式儀器可以通過(guò)云向控制中心提供準確的測量結果。GPS跟蹤定位系統是另一種應用，例如可以通過(guò)智能耳標追蹤集裝箱牲畜（例如奶牛）。這些只是云連接設備中的一小部分，其他領(lǐng)域包括可穿戴醫療健康應用和基礎設施檢測應用。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用是一個(gè)重要的增長(cháng)領(lǐng)域，它是以智能工廠(chǎng)為中心的第四次工業(yè)革命的一部分。許多物聯(lián)網(wǎng)應用最終都在嘗試盡可能實(shí)現工廠(chǎng)自動(dòng)化，無(wú)論是通過(guò)使用自動(dòng)導引車(chē)(AGV)、智能傳感器（例如RF標簽或壓力表），或者是部署在工廠(chǎng)周?chē)钠渌h(huán)境傳感器。
ADI認為，物聯(lián)網(wǎng)主要側重五大領(lǐng)域：
● 智能健康——支持臨床水平和消費者應用的生命體征監測應用。
● 智能工廠(chǎng)——側重于通過(guò)提高工廠(chǎng)的快速響應能力、使工廠(chǎng)更靈活、更精簡(jiǎn)，以構建工業(yè)4.0。
● 智能樓宇/智慧城市——利用智能傳感技術(shù)來(lái)執行樓宇安全、車(chē)位占用檢測，以及實(shí)施溫度和電氣控制。
● 智能農業(yè)——利用現有技術(shù)實(shí)現自動(dòng)化農業(yè)并提升資源利用效率。
● 智能基礎設施——基于狀態(tài)監控技術(shù)來(lái)監測移動(dòng)和結構健康。
物聯(lián)網(wǎng)設計挑戰
在不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域，設計人員面臨哪些主要挑戰？這些設備或節點(diǎn)大多數是在事后安裝的，或安裝在難以接近的位置，因此無(wú)法為其供電。這意味著(zhù)需要完全依賴(lài)電池和/或能量收集方式供電。
在大型工廠(chǎng)周?chē)鷤鬏旊娏赡艹杀靖甙?。例如，假設要為工廠(chǎng)中的偏遠物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)供電。如果通過(guò)部署新電纜為該設備供電，不僅實(shí)施成本高昂，而且極為耗時(shí)，所以一般都會(huì )選擇使用電池或能量收集方式為這些偏遠節點(diǎn)供電。
依賴(lài)電池供電就需要遵循嚴格的功率預算，以確保盡可能延長(cháng)電池壽命，這必然會(huì )影響設備的總擁有成本。使用電池的另一個(gè)缺點(diǎn)就是在電池報廢之后需要更換電池。這包括電池本身的成本，以及更換電池和棄置舊電池的高額人力成本。
另外還要考慮電池的成本和尺寸，這往往會(huì )導致對電池過(guò)度設計，以確保其擁有足夠容量，從而滿(mǎn)足電池的使用壽命要求，一般是要求超過(guò)10年。但是，過(guò)度設計會(huì )額外增加電池的成本和尺寸，因此，我們不僅要優(yōu)化功率預算，還要盡可能減少能源使用，使電池尺寸足夠小，同時(shí)仍能夠滿(mǎn)足設計要求。
為了方便討論，我們將物聯(lián)網(wǎng)應用中的電源分為以下三種情況，這些電源可以單獨使用，或根據應用需要組合使用。
● 使用不可充電電池（原電池）的設備
● 需要使用可充電電池的設備
● 利用能量收集來(lái)提供系統電源的設備
原電池應用
大家都知道各種不同的原電池應用，這些也稱(chēng)為不可充電電池應用。主要用于偶爾需要用電的應用，也就是說(shuō)，設備偶爾通電，然后重新進(jìn)入深度睡眠模式，所以耗電很少。使用原電池供電的主要優(yōu)勢在于：它提供高電能密度，設計簡(jiǎn)單（因為無(wú)需包含電池充電/管理電路），以及成本較低（因為電池更便宜，所需的電子器件更少）。它們非常適合低成本、低功耗的放電應用，但是，因為這些電池的壽命有限，所以不太適合功耗略高的應用，而更換電池會(huì )產(chǎn)生額外的電池成本以及更換電池的人工成本。
想象一下?lián)碛性S多節點(diǎn)的大型物聯(lián)網(wǎng)裝置。當您請技術(shù)人員現場(chǎng)更換一臺設備的電池時(shí)，通常會(huì )一次性更換所有電池，以節省人工成本。毫無(wú)疑問(wèn)，這是一種浪費，只會(huì )加劇全球浪費問(wèn)題。更重要的一點(diǎn)，不可充電電池只提供了最初制造電池所用電量的2%。約98%的電量浪費使得這種電源的經(jīng)濟效益非常低。
顯然，它們在基于物聯(lián)網(wǎng)的應用中確有一席之地。相對較低的初始成本使其非常適合低功耗應用。它們提供多種類(lèi)型和尺寸選擇，而且無(wú)需使用額外的電子器件來(lái)進(jìn)行充電或管理，所以是簡(jiǎn)單的解決方案。
從設計角度來(lái)看，關(guān)鍵挑戰在于如何充分利用這些小型電源提供的電力。為此，我們需要花費大量時(shí)間來(lái)制定功率預算計劃，以確保盡量延長(cháng)電池的使用壽命，設計目標一般是10年。
對于原電池應用，我們可以考慮使用微功耗產(chǎn)品系列中的兩款產(chǎn)品：LTC3337 微功耗庫侖計數器和 LTC3336 微功耗降壓穩壓器，如圖1所示。
圖1.LTC3337和LTC3336應用電路。
LTC3336是一款低功耗DC-DC轉換器，輸入電壓可高達15 V，峰值輸出電流可編程。輸入可以低至2.5 V，因此非常適合電池供電應用。在空載狀態(tài)下調節時(shí)，靜態(tài)電流可能非常低，僅65 nA。隨著(zhù)DC-DC轉換器不斷改進(jìn)，可輕松設置并用于新設計中。輸出電壓可根據OUT0至OUT3引腳的連接方式進(jìn)行編程設置。
LTC3336的配套器件是LTC3337，這是一款微功耗原電池健康狀態(tài)監視器和庫侖計數器。這是另一款可輕松用于新設計的產(chǎn)品，只需按照峰值電流要求（在5 mA至100 mA范圍內）連接IPK引腳。根據選定的電池進(jìn)行一些計算，然后填入基于選擇的峰值電流推薦的輸出電容，具體參見(jiàn)數據手冊。
最終，為功率預算有限的物聯(lián)網(wǎng)應用找出合適的配套設備。這些產(chǎn)品能夠準確監測原電池的電量使用情況，并將輸出高效轉換為可用的系統電壓。
可充電電池應用
現在，我們來(lái)看看可充電應用。對于需要更高功率或更高放電的物聯(lián)網(wǎng)應用，原電池更換頻率顯然不合適，可充電電池將是一個(gè)不錯的選擇。電池的初始成本以及充電電路使可充電電池應用的成本更高，但在需要頻繁放電和充電的高放電應用中，這種成本是合理的，很快能實(shí)現回本。
根據所使用的化學(xué)物質(zhì)，可充電電池應用的初始電量可能比原電池低，但從長(cháng)遠來(lái)看，效率更高，總體來(lái)說(shuō)，浪費更少。根據電力需求，還可以選擇電容或超級電容存儲，但它們更多用于短期后備存儲。
根據所使用的化學(xué)物質(zhì)，電池充電涉及幾種不同的模式和工作特性。例如，圖2中顯示的鋰離子電池的充電特性曲線(xiàn)。底部為電池電壓，縱軸表示充電電流。
圖2.充電電流與電池電壓的關(guān)系。
當電池嚴重放電時(shí)，如圖2左側所示，充電器需要具有足夠智能，讓電池進(jìn)入預充電模式，使電池電壓緩慢增加到安全水平，然后進(jìn)入恒流模式。在恒流模式下，充電器將設定的電流輸入電池，直到電池電壓升至設定的浮充電壓。
設定的電流和電壓均取決于所用的電池類(lèi)型，充電電流受充電速率和所需的充電時(shí)間限制，浮充電壓則基于保持電池安全的閾值。系統設計人員可以根據系統需要，通過(guò)稍微降低浮充電壓來(lái)幫助延長(cháng)電池的使用壽命，與針對電源的考量一樣，就是進(jìn)行權衡和取舍。達到浮充電壓之后，充電電流會(huì )降至零，并且會(huì )根據終止算法使該電壓保持一段時(shí)間。
圖3顯示了3電池應用隨時(shí)間變化的行為特性曲線(xiàn)。紅色線(xiàn)條表示電池電壓，藍色線(xiàn)條表示充電電流。它在恒流模式下啟動(dòng)，最高電流達2 A，直至電池電壓達到12.6 V恒壓閾值。充電器在終止定時(shí)器定義的時(shí)長(cháng)內保持此電壓，在本例中，時(shí)長(cháng)為4個(gè)小時(shí)。許多充電器產(chǎn)品都支持編程設置該時(shí)間。
圖3.充電電壓/電流與時(shí)間的關(guān)系。
圖4顯示了一個(gè)不錯的多功能降壓型電池充電器( LTC4162)示例，它可以提供高達3.2 A充電電流，適合用于多種應用，包括便攜式儀器儀表和需要更大電池或電池組的應用。它也可用于從太陽(yáng)能充電。
圖4.LTC4162：3.2 A降壓型電池充電器。
能量收集應用
在使用物聯(lián)網(wǎng)應用和其電源時(shí)，另一個(gè)可以考慮的選項是能源收集。當然，對于系統設計人員來(lái)說(shuō)，需要考慮多方面因素，但免費能源的吸引力不能低估，尤其是電源要求不太嚴格且安裝位置不能觸及（即技術(shù)維修人員接觸不到）的應用。
有許多不同的能源可供選擇，也并非一定是戶(hù)外應用才使用這種方式。太陽(yáng)能以及壓電或振動(dòng)能量、熱電能，甚至RF能量都是可以收集的（雖然其功率電平很低）。圖5顯示使用不同收集方法時(shí)相應的電能水平。
圖5.能源和可用于各種應用的大致電能水平。
至于缺點(diǎn)，與之前討論的其他電源相比，其初始成本更高，因為需要使用收集元件，例如太陽(yáng)能電池板、壓電接收器或珀爾帖效應元件，以及電能轉換IC和相關(guān)的使能組件。另一個(gè)缺點(diǎn)是解決方案的整體尺寸更大，特別是與紐扣電池這樣的電源相比。使用能量收集器和轉換IC時(shí)，很難實(shí)現小型解決方案。
在效率方面，管理低電能水平也是一個(gè)難題。因為許多電源都是交流電源，所以需要整流。我們使用二極管來(lái)實(shí)現整流。設計人員必須考慮其本身特性導致的電能損失。在增大輸入電壓的情況下，這種影響會(huì )減弱，但并非始終如此。
大多數能量收集討論中使用的器件來(lái)自 ADP509x 產(chǎn)品系列和 LTC3108，它支持廣泛的能量收集來(lái)源，提供多條電源路徑和可編程充電管理選項，可以提供極高的設計靈活性?？梢允褂枚喾N能源為ADP509x供電，但也可以從電源中提取電能，用于為電池充電或為系統負載供電。從太陽(yáng)能（室內和室外）到熱電發(fā)電機（從可穿戴應用的人體熱量或發(fā)動(dòng)機熱量中提取熱能），任何能量來(lái)源都可用于為物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)供電。此外還可以從壓電電源中獲取電能，這增加了另一層靈活性，也是一種很不錯的方式，（例如）可以從運行的電機中提取電能。
圖6.能量收集應用中 ADP5090 的功能框圖。
另一個(gè)能夠通過(guò)壓電電源供電的器件是 ADP5304，它以較低的靜態(tài)電流（空載狀態(tài)下一般為260 nA）運行，非常適合低功耗能量收集應用。數據手冊中展示了一個(gè)典型的能量收集應用電路（參見(jiàn)圖7），該電路由壓電電源供電，用于為ADC或RF IC供電。
圖7.ADP5304壓電電源應用電路。
電能管理
在討論功率預算有限的應用時(shí)，還應當考慮電能管理。在查看不同的電源管理解決方案之前，首先要針對應用執行功率預算計算。這個(gè)步驟很重要，可以幫助系統設計人員了解系統中使用的重要組件，以及它們分別需要多少電能。這會(huì )影響他們的決定，是選擇原電池、可充電電池、能量收集，還是將這些選項組合使用。
在研究電能管理時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設備收集信號并將其發(fā)送回中央系統或云端的頻率是另一個(gè)重要因素，它對整體功耗有很大影響。一種常見(jiàn)手段是調整電源使用的占空比，或者延長(cháng)喚醒設備使其收集和/或發(fā)送數據的時(shí)間間隔。
在嘗試管理系統電能使用情況時(shí)，對每個(gè)電子設備使用待機模式（如果提供）也是一種非常有用的工具。
結論
與所有電子應用一樣，盡早考慮電路的電源管理部分很重要。這在電源受限的應用（例如物聯(lián)網(wǎng)）中更加重要。在設計階段盡早制定功率預算有助于系統設計人員確定有效的路徑和合適的設備，以應對這些應用帶來(lái)的挑戰，同時(shí)仍能夠以小尺寸解決方案實(shí)現高能效。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
