探索IC電源管理新領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應用

本文深入探討物聯(lián)網(wǎng)電池技術(shù)，并提出設計人員可能面臨的一些電源問(wèn)題，以及ADI提供的解決方案。這些高效的解決方案可以協(xié)助克服物聯(lián)網(wǎng)裝置中的其他問(wèn)題，包括尺寸、重量和溫度。

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)裝置越來(lái)越密集地應用于工業(yè)設備、家庭自動(dòng)化和醫療應用中，透過(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（對于可攜式物聯(lián)網(wǎng)裝置）來(lái)優(yōu)化這些裝置的電源管理的壓力也越來(lái)越大。相關(guān)的要求是所有這些都必須以小尺寸實(shí)現，既不能影響散熱，也不能干擾裝置實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信。

物聯(lián)網(wǎng)裝置的應用領(lǐng)域幾乎沒(méi)有止境，每天都會(huì )考慮新的裝置和使用情況?；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)可攜式儀器可以透過(guò)云端到控制中心提供準確的測量結果。GPS追蹤定位系統是另一種應用，像是可以透過(guò)智慧耳標追蹤集裝箱牲畜（例如奶牛），這些只是云端連接裝置中的一小部分。其他領(lǐng)域包括可穿戴醫療健康應用和基礎設施感測應用。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用是一個(gè)重要的成長(cháng)領(lǐng)域，它是以智慧工廠(chǎng)為中心的第四次工業(yè)革命的一部分。許多物聯(lián)網(wǎng)應用最終都在盡可能?chē)L試實(shí)現工廠(chǎng)自動(dòng)化，無(wú)論是透過(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)—著(zhù)重于透過(guò)提升工廠(chǎng)的快速響應能力、使工廠(chǎng)更彈性、更精簡(jiǎn)，以建構工業(yè)4.0；
? 智慧建筑/智慧城市—利用智慧感測技術(shù)來(lái)執行建筑安全、車(chē)位占用檢測，以及進(jìn)行溫度和電氣控制；
? 智慧農業(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；
? 智慧基礎設施—基于狀態(tài)監測技術(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。這表示需要完全依賴(lài)電池和/或能量采集方式供電。

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。如果透過(guò)部署新電纜為該裝置供電，不僅建置成本高昂，而且極為耗時(shí)，所以一般都會(huì )選擇使用電池或能量采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 )影響裝置的總體擁有成本。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，使電池尺寸夠小，同時(shí)仍能夠滿(mǎn)足設計要求。

物聯(lián)網(wǎng)供電
物聯(lián)網(wǎng)應用中的電源分為三種情況：

? 使用不可充電電池（原電池）的裝置；
? 需要使用可充電電池的裝置；
? 利用能量采集來(lái)提供系統電源的裝置。

這些電源可以單獨使用，或根據應用需要組合使用。

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，亦即設備偶爾通電，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：其提供高電能密度，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，所需的電子組件更少）。非常適合低成本、低功耗的放電應用，但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。請技術(shù)人員現場(chǎng)更換一臺裝置的電池時(shí)，通常會(huì )一次性更換所有電池以節省人工成本。但這毫無(wú)疑問(wèn)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，其于基于物聯(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)需使用額外的電子組件來(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： 微功耗庫侖計數器 LTC3337和 微功耗降壓穩壓器 LTC3336，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轉換器不斷改善，可輕松設定并用于新設計中。輸出電壓可根據OUT0至OUT3接腳的連接方式進(jìn)行編程設定。

LTC3336的配套組件是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接腳。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。最終，為功率預算有限的物聯(lián)網(wǎng)應用找出合適的配套裝置。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，整體來(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儲存，但它們更多用于短期后備儲存。而根據所使用的化學(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慧，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)入恒電流模式。在恒電流模式下，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，透過(guò)稍微降低浮充電壓來(lái)協(xié)助延長(cháng)電池的使用壽命，與針對電源的考慮一樣，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3顆電池應用隨時(shí)間變化的行為特性曲線(xiàn)。其在恒電模式下啟動(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)品都支持編程設定該時(shí)間。


 
圖3 : 充電電壓/電流與時(shí)間的關(guān)系

圖4顯示一個(gè)多功能降壓型電池充電器LTC4162例示，可以提供高達3.2 A充電電流，適合于多種應用，包括可攜式儀器儀表和需要更大電池或電池組的應用，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

能量采集應用
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采集。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能量都是可以采集的（雖然其功率位準很低）。圖5為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)，相較于之前討論的其他電源，其初始成本更高，因為需要使用采集組件，例如太陽(yáng)能電池板、壓電接收器或珀爾帖效應組件，以及電能轉換IC和相關(guān)的致能組件。另一個(gè)缺點(diǎn)是解決方案的整體尺寸更大，特別是與鈕扣電池之類(lèi)的電源相比。使用能量采集器和轉換IC時(shí)，很難建構小型解決方案。

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。

大多數能量采集討論中使用的組件來(lái)自 ADP509x 系列和 LTC3108，其支持廣泛的能量采集來(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彈性?？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，這增加了另一層彈性，例如從運作的馬達中提取電能。


 
圖6 : 能量采集應用中 ADP5090 的功能架構

另一個(gè)能夠透過(guò)壓電電源供電的組件是 ADP5304，其以較低的靜態(tài)電流（空載狀態(tài)下一般為260 nA）運行，適合低功耗能量采集應用。至于典型的能量采集應用電路（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)，還必須考慮電能管理。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，可以協(xié)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、能量采集，或將這些選項組合使用。

在研究電能管理時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)裝置收集訊號并將其發(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操作周期，或者延長(cháng)喚醒裝置使其采集和/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)，若對每個(gè)電子裝置使用待機模式，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相當重要。這在電源受限的應用（例如物聯(lián)網(wǎng)）中更是如此。在設計時(shí)間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裝置，以因應這些應用帶來(lái)的挑戰，同時(shí)仍能夠以精巧尺寸解決方案實(shí)現高能效。

（本文作者 Diarmuid Carey為ADI核心應用工程師）