推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展 供電--物聯(lián)網(wǎng)的基礎設備的生命線(xiàn)

　　物聯(lián)網(wǎng)是時(shí)下的熱門(mén)話(huà)題之一。但是大多數集中在通信標準以及信息和設備的安全性方面。同樣重要，卻被大家忽視的是如何為組成物聯(lián)網(wǎng)的大量設備進(jìn)行妥善供電。是什么構成了物聯(lián)網(wǎng)呢?物聯(lián)網(wǎng)背后的理念是，將一切值得討論或傾聽(tīng)的東西都連接起來(lái)用于通信。

　　在許多情況下，物聯(lián)網(wǎng)所連接的項目可以是最近獲得通信能力的現有設備，也可以是為豐富信息環(huán)境而創(chuàng )建的新產(chǎn)品。通常這些設備通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式進(jìn)行連接。無(wú)線(xiàn)連接對電源開(kāi)發(fā)人員提出了新的要求。無(wú)線(xiàn)連接因其高度的靈活性而備受歡迎，這種靈活性不應被任何特殊電源連接的任何需求所限制。

　　圖1展示了物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)視圖。正如圖片所示，什么都可以被連接。我們也看到，這一概念的一個(gè)子集是無(wú)線(xiàn)云。無(wú)線(xiàn)云可為用戶(hù)及其設備提供連接。節能電信中心(CEET)2013年4月份出版的白皮書(shū)預測，無(wú)線(xiàn)云今年(2015年)將耗電43太瓦時(shí)(TWh)[1]。其中無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的耗電量將占上述耗電量的90%。相對于2012年無(wú)線(xiàn)云僅耗電9.2TWh，能耗增加幅度非常大。

　　圖1. 物聯(lián)網(wǎng)的視圖

　　隨著(zhù)更多的設備和通信量成為IoT基礎設施的一部分，預計耗電量還將攀升。對電源設計人員來(lái)說(shuō)，這已成為嚴峻的挑戰。在將來(lái)的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，IoT的擴展將受限于它所消耗的能量。因此，讓我們開(kāi)始認真考慮一些電源設計人員需應對的任務(wù)吧。

　　我們將從無(wú)線(xiàn)傳感器開(kāi)始說(shuō)起。如圖1所示，為形成IoT而集成的設備和相關(guān)基礎設施包含有有可監測環(huán)境的小型設備或無(wú)線(xiàn)傳感器、需要傳遞其狀態(tài)信息的家電、可佩戴式電子產(chǎn)品、安全系統、汽車(chē)和工業(yè)設備，以及前面提到的無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)設備。許多人認為IoT主要由可傳遞重要信息的無(wú)線(xiàn)傳感器構成。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器

　　無(wú)線(xiàn)傳感器通常被放置在接入比較麻煩，或接入費用很昂貴的環(huán)境中。這要求其能量供應可持續很長(cháng)一段時(shí)間，一般需要超過(guò)10年，或無(wú)線(xiàn)傳感器能以可靠的方式從所處環(huán)境中獲取能量。因此，這要求電源管理解決方案必須能實(shí)現這樣的目標：在能量管理運行期間，非常節約能耗。無(wú)線(xiàn)傳感器還具有非常高的峰值對均值功率比，在某些情況下大于100。

　　圖2展示了無(wú)線(xiàn)傳感器各種功率模式的例子。在這個(gè)例子中，傳感器大部分時(shí)間處于睡眠模式，但可能喚醒進(jìn)入通信模式以便進(jìn)行測量 —— 這也能讓系統識別該傳感器是可用的。而在更長(cháng)的間隔期間，傳感器可向系統提供更多的信息。這種傳輸可能需要更多的能量，因此依賴(lài)于所儲存的可用能量。電源管理解決方案需要能提供所需的峰值功率，同時(shí)平均能耗非常少。如果此類(lèi)系統的環(huán)境能量較低，那么電源管理解決方案必須能采集能量，直到有足夠的能量用于所需設施。

　　圖2. 無(wú)線(xiàn)傳感器功率分布圖

　　圖3展示了這樣一個(gè)系統[2]的實(shí)現例子。在這個(gè)例子中，最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)是基于MPPT電壓和光伏源開(kāi)路電壓的比值來(lái)實(shí)現的。這種MPPT實(shí)現方案可最大限度地降低能耗，同時(shí)執行MPPT功能。這個(gè)例子還集成了能量存儲功能。由于儲能元件的使用壽命非常重要，因此務(wù)必注意不要使該元件過(guò)度充放電。在這個(gè)例子中，為最小和最大存儲電壓設置了電平。

　　圖3. 適用于無(wú)線(xiàn)傳感器的能量管理

　　為了把所儲存的能量水平通知給系統，設計人員可從外部，主要指的是能給出該通知、VBAT_OK的地方,配置電壓電平。降壓型調節器也被集成到解決方案，以便為系統負載供電。這個(gè)完整的系統只有500nA的典型靜態(tài)電流，即使在低電流時(shí)也能實(shí)現高效率。例如，輸入電流為500mV且充電電流為100uA時(shí)，升壓型轉換器的效率可大于70%。

　　智能家電

　　構成IoT的另一類(lèi)東西是家電。很多時(shí)候，我們都沒(méi)想到過(guò)此類(lèi)河北如何會(huì )成為IoT的一部分，但正是通過(guò)IoT，我們才能智能控制我們的洗衣機、冰箱等。傳統上，我們認為只需將它們連接到電網(wǎng)上，設置一些信息，它們就能開(kāi)始工作。在洗衣機的例子中，當周期完成時(shí)它可能會(huì )發(fā)出提示音，但僅此而已。然而，現今的聯(lián)網(wǎng)型家電卻能補考提示音即可給您提供信息。這會(huì )給電源設計人員帶來(lái)什么樣的影響呢?

　　這些家電原來(lái)只在有任務(wù)要執行時(shí)才開(kāi)啟，現在需要始終保持開(kāi)啟狀態(tài)，或者至少一些功能必須始終保持開(kāi)啟狀態(tài)。為了給這些一直處于開(kāi)啟狀態(tài)的功能有效供電。這種新要求增加了電源設計人員的任務(wù)。由于這些設備需要較大的功率來(lái)完成其任務(wù)，因此在大多數情況下它們被連接到電網(wǎng)，這樣就不再需要進(jìn)行能量收集。然而，因為它們一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，所以靜態(tài)功耗和效率對新連接功能而言至關(guān)重要。很多時(shí)候，這些連接功能是以無(wú)線(xiàn)方式執行的，并且與本地網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。這將功率水平要求設置得低于10W。用AC/DC反激式解決方案一般可達到這種低功率水平。有許多集成的反激式解決方案可供選擇，但這種特殊的應用有其自己的要求。圖4展示了這樣一個(gè)電源解決方案的例子，以滿(mǎn)足連接到IoT的需要。

　　圖4. 適用于家電連接的低功耗AC/DC解決方案

　　圖4的反激式例子有幾個(gè)主要特性。首先是它具有非常低的待機功耗，小于30mW。由于連接必須始終處于準備就緒狀態(tài)，即使家電處于空閑狀態(tài)。所以，低功耗就尤為重要。另一個(gè)方面是低電磁干擾(EMI)，因為該設備很多時(shí)候將為無(wú)線(xiàn)通信電路供電。在這個(gè)例子中，控制器采用谷值開(kāi)關(guān)和頻率抖動(dòng)來(lái)幫助減少EMI。

　　另一個(gè)方面是電源解決方案的尺寸。尺寸本身通常不是問(wèn)題，關(guān)鍵看尺寸如何影響最終成本。IoT是一項振奮人心的技術(shù)，能讓洗衣機告訴您衣服已洗好待烘干，或讓冰箱通過(guò)發(fā)送到您手機上的信息告訴您門(mén)沒(méi)關(guān)好，但消費者卻不想花不必要的錢(qián)。因此該解決方案需要最大限度地降低電源解決方案的成本?？蓪?shí)現這一目的一種方法是減小尺寸。通過(guò)以較高的頻率運行，在這種情況下頻率是115kHz，可實(shí)現尺寸的縮減。

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )堪稱(chēng)能量“貪吃鬼”，是IoT最令人關(guān)注的挑戰之一有很多正在進(jìn)行的電源設計開(kāi)發(fā)工作可幫助解決這個(gè)問(wèn)題。從包絡(luò )跟蹤功率放大器到數字射頻(RF)功率放大器，一切皆為基站研究和開(kāi)發(fā)，這樣的例子的確不勝枚舉。鑒于許多基站由電網(wǎng)供電，因此有機會(huì )使那種前端功率因數控制(PFC)電源更高效。圖5展示了一種這樣的方法。這是無(wú)橋PFC的功率級。通過(guò)除去二極管橋，可使該系統效率更高。有許多不同的無(wú)橋PFC拓撲結構，但我們將聚焦連續導通模式(CCM)推拉輸出電路的版本。

　　圖5. 推拉輸出電路無(wú)橋PFC

　　這種拓撲結構帶來(lái)的好處是減少了組件數量和并消除了橋接損耗。通過(guò)利用氮化鎵(GaN)開(kāi)關(guān)設備，我們能進(jìn)一步提高效率。這些器件(Q3和Q4)可提供更低的柵極損耗，從而允許更高頻率的運行。其它寄生損耗(如Coss)也更低。此外，不存在本征體二極管，所以反向恢復損耗最小。Q1和Q2在線(xiàn)路頻率下被切換，并且它們可以是硅金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管(MOSFET)，比單用二極管能減少的損耗更多。

　　展望未來(lái)

　　IoT為電源設計人員帶來(lái)了許多新挑戰，這里只提到了幾種。IoT的采用和覆蓋范圍在很大程度上取決于能量需求的減少，這部分可通過(guò)收集環(huán)境能量來(lái)實(shí)現，以最大限度地減少家庭能源需求，并減少網(wǎng)絡(luò )能源總需求。當我們?yōu)槟芰渴占_(kāi)發(fā)新技術(shù)時(shí)，我們必須謹記，減少能量需求對促進(jìn)發(fā)展而言仍然至關(guān)重要。對能量的需求越低，越有可能從環(huán)境中獲取能量。

　　減少電網(wǎng)的能量需求也很重要。想想每個(gè)單獨的電網(wǎng)供電型應用可能掩蓋百分之零點(diǎn)幾的效率產(chǎn)生的影響。只有總體效率產(chǎn)生的影響才能引起政府的關(guān)注。能有這種效果的不是一臺洗衣機或一個(gè)基站，而是構成能量需求的數百萬(wàn)應用。幸運的是，電源設計人員擁有能應對這些挑戰的新技術(shù)。在某些情況下，處理技術(shù)能使高電壓組件集成低電壓控制功能。在其它情況下，WBG設備通過(guò)在開(kāi)關(guān)速度更高時(shí)允許低損耗可改善高電壓轉換狀況。對電源設計人員而言，我們這個(gè)時(shí)代肯定會(huì )越來(lái)越精彩。