如何為物聯(lián)網(wǎng)中的大量設(shè)備供電 設(shè)備功耗如何解決

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展將受能耗限制

在許多情況下，所連結(jié)的事物可能是最近獲得通訊能力的既有裝置，或是為豐富資訊環(huán)境而創(chuàng)造出的新產(chǎn)品，這些裝置多半以無線方式連接，且對(duì)電源開發(fā)人員提出了一定的要求，無線通訊具備高度的靈活性，不會(huì)因?yàn)槿魏翁厥獾碾娫催B接需要而受到限制。

地球上的萬物皆可以相互連結(jié)。這其中包含了“無線云端”的概念，可為使用者及其裝置提供連結(jié)。然而，無限云端也開始成為電力消耗的一個(gè)主要來源。根據(jù)Center for Energy-Efficient Telecommunication（CEET，節(jié)能電信中心）在2013年4月出版的一本白皮書中指出，2015年無線云端會(huì)消耗430億千瓦時(shí)的電能，而無線網(wǎng)路將消耗掉其中的90%。

在2012年，無線云端只消耗92億千瓦時(shí)的電能，由此顯示能耗的成長幅度相當(dāng)巨大；而且，隨著物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中所納入越來越多的通訊設(shè)備，能耗成長趨勢也將持續(xù)增加，這將成為電源供應(yīng)設(shè)計(jì)人員的一大難題。在未來的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展將會(huì)因能耗問題而遭受制約。

在物聯(lián)網(wǎng)中，我們可以看到用于監(jiān)控環(huán)境的小型設(shè)備或無線感測器、可互相交流狀態(tài)的電器用品、可穿戴電子產(chǎn)品、安全系統(tǒng)、汽車、工業(yè)設(shè)備，以及前面提到的無線網(wǎng)路設(shè)備等。

因此，物聯(lián)網(wǎng)的形成主要來自于眾多設(shè)備和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)合，基于物聯(lián)網(wǎng)的概念描述，很多人會(huì)認(rèn)為用于交流重要資訊的無線感測器是物聯(lián)網(wǎng)的首要組成部分，那我們就從這里談起吧。

無線感測器

無線感測器通常設(shè)置在難以取得或是取得成本十分高昂的環(huán)境中，因此在電力供應(yīng)方面即須要有長久且不間斷（超過10年）的使用壽命，或是要能安全可靠地從所在環(huán)境中獲取。

此時(shí)，在管理能源的過程中，電源管理就必須要嚴(yán)格落實(shí)節(jié)約用電。無線感測器還具有極高的峰值對(duì)均值功率比（Peak-To-Average Power Ratio），某些情況下該比值會(huì)大于100。

圖一說明了無線感測器的各種功耗模式。在這個(gè)例子中，感測器大部分時(shí)間處于睡眠模式，但在接到需要測量的通訊消息時(shí)可能會(huì)被喚醒，同時(shí)還可以讓系統(tǒng)得知感測器已處于可用狀態(tài)。

圖一 : 無線感測器功率分布圖

時(shí)間間隔越長，感測器可以向系統(tǒng)提供的資訊也就越多；這種大量的資訊傳輸可能需要消耗更多的電源，因此需要依賴可用的儲(chǔ)存電源。電源管理解決方案必須要在消耗極少量的平均能源之下，供應(yīng)所需的峰值功率。對(duì)于環(huán)境能源不足的系統(tǒng)，電源管理解決方案必須要采集能源，直到可以為所需的設(shè)施提供足夠的能源為止。

附圖二呈現(xiàn)上述系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施案例。在這個(gè)例子中，采用了基于最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）電壓與太陽能源開路電壓的比值的最大功率點(diǎn)追蹤方案，這種方案在執(zhí)行最大功率點(diǎn)追蹤功能的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)能耗最小化；除此之外，還納入了能源儲(chǔ)存功能。由于儲(chǔ)能元件的使用壽命至關(guān)重要，因而須注意不要對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行過度放電或充電。而這個(gè)實(shí)例中還設(shè)定了最小和最大儲(chǔ)存電壓所對(duì)應(yīng)的電壓水準(zhǔn)。

圖二 : 無線感測器的能源管理

為向系統(tǒng)通知儲(chǔ)存的能源水準(zhǔn)，工程師可以在外部配置可發(fā)出VBAT_OK這一通知時(shí)的電壓水準(zhǔn)。這套解決方案還加入了一個(gè)降壓穩(wěn)壓器，以便為系統(tǒng)負(fù)載提供電力。整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)電流典型值僅為500nA，即使在弱電流時(shí)也能實(shí)現(xiàn)高效率。例如，在500mV輸入和100uA充電電流的情況下，升壓轉(zhuǎn)換器的效率將高于70％。

智慧電器

電器用品也是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的其中一環(huán)。很多時(shí)候，一般人不會(huì)想到這些個(gè)人電子裝置如何成為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，但物聯(lián)網(wǎng)確實(shí)地幫助實(shí)現(xiàn)人類與洗衣機(jī)、冰箱等電器的互動(dòng)和對(duì)話。

一般來說，這類裝置設(shè)備并沒有太多可強(qiáng)調(diào)的亮點(diǎn)，只須把它們接入電網(wǎng)，設(shè)定一些資訊，它們就會(huì)按部就班地工作。舉例來說，洗衣機(jī)在完成整個(gè)工作回圈后，過去的它可能只會(huì)發(fā)出聲響；然而，如今的聯(lián)網(wǎng)電器可以讓使用者的資訊獲取途徑不只是依賴于所聽到的聲響。這將對(duì)電源設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生何種影響呢？

未來，這種電器將不會(huì)只是在需要執(zhí)行某個(gè)任務(wù)時(shí)處于開啟狀態(tài)，而是始終保持開啟狀態(tài)，或者至少是在某些功能始終保持開啟。為使這些功能始終保持開啟并隨時(shí)進(jìn)行資訊交流，就必須為其高效供電。

為了滿足這種新的需求，電源設(shè)計(jì)人員不像以前只需要考量為電器提供執(zhí)行任務(wù)所需的電力，而是需要承擔(dān)起更多、更詳盡的任務(wù)。

由于這些設(shè)備需要較高的功率來完成工作，在大多數(shù)情況下它們會(huì)被接入電網(wǎng)，因此沒有采集能源的必要。然而，為保持開啟狀態(tài)，靜態(tài)功率和供電效率就顯得至關(guān)重要，以讓新的連結(jié)功能可以正常運(yùn)作。

許多時(shí)候，這些連結(jié)功能會(huì)以無線方式工作并與當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)路進(jìn)行通訊，因而決定了其功率級(jí)需要低于10W。這種低功率級(jí)一般可以由AC／DC返馳式解決方案（AC／DC Fly-Back Solution）來實(shí)現(xiàn)。

雖然有很多整合的返馳式解決方案可供選擇，但是對(duì)這種應(yīng)用則需要滿足其特定的要求。圖四舉例說明了一個(gè)此類電源解決方案如何滿足連結(jié)物聯(lián)網(wǎng)的需求。

圖三的返馳實(shí)例有幾大特性：第一個(gè)特性是它具有小于30mW的極低待機(jī)功耗，這十分重要，因?yàn)榧词闺娖餮b置處于空閑狀態(tài)，連結(jié)也必須維持準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)；而另一個(gè)特性是低電磁干擾（EMI），因?yàn)檫@臺(tái)設(shè)備將需要經(jīng)常性地透過無線通訊電路來供電。在這個(gè)例子中，控制器使用谷值開關(guān)和頻率抖動(dòng)來幫助減少電磁干擾。

圖三 : 電器連接的低功耗AC／DC

還有一個(gè)特性是電源解決方案的尺寸大小。通常，尺寸大小本身并不構(gòu)成問題，問題在于尺寸大小如何對(duì)最終成本產(chǎn)生影響。物聯(lián)網(wǎng)是一項(xiàng)激勵(lì)人心的技術(shù)，它可以透過手機(jī)的資訊發(fā)送，讓您的洗衣機(jī)告訴您衣服可以放入烘干機(jī)了；或是讓冰箱告訴您有人忘了關(guān)上冰箱門，為相當(dāng)值得贊賞的技術(shù)，盡管如此，消費(fèi)者仍不愿意為必要功能之外所產(chǎn)生的費(fèi)用而買單。

因此，此類解決方案需要盡可能降低電源解決方案的成本。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個(gè)方法就是縮小尺寸，這個(gè)例子中采用了更高的工作頻率（115kHz），進(jìn)而達(dá)到了縮小尺寸的目的。

無線網(wǎng)路

讓我們換個(gè)話題，談一談什么將成為物聯(lián)網(wǎng)的心腹大患。正如在一開始所提到的，無線網(wǎng)路將是主要的能源大戶。而目前有很多電源設(shè)計(jì)開發(fā)專案正在開發(fā)進(jìn)行，以解決這一類的問題。

從封包追蹤到數(shù)位射頻（RF）功率放大器等為基地臺(tái)研發(fā)的一切應(yīng)用，這樣的設(shè)計(jì)專案不勝枚舉。由于許多基地臺(tái)由電網(wǎng)供電，所以有條件讓前端功率因數(shù)控制（PFC）的供電變得更加高效。圖四展現(xiàn)其中一個(gè)方法，為無橋功率因數(shù)控制的功率級(jí)。

圖四 : 圖騰柱無橋功率因數(shù)控制（PFC）

透過移除二極體橋，該系統(tǒng)可獲得更高的效率。雖然有許多不同版本的無橋功率因數(shù)控制拓?fù)?，但我們將重點(diǎn)關(guān)注持續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）圖騰柱拓?fù)洹?/p>

這種拓?fù)溆欣跍p少元件數(shù)量和移除橋的損耗。利用氮化鎵（GaN）與開關(guān)裝置進(jìn)一步提高效率。Q3和Q4的這些裝置能夠提供更低的閘極損耗，并實(shí)現(xiàn)更高頻率的的工作，以及降低輸出電容等其他寄生損耗。

此外，因?yàn)闆]有內(nèi)在的本體二極體，所以反向恢復(fù)損耗也降到了最低。Q1和Q2的線路頻率可以進(jìn)行切換，還可以采用矽MOSFET電晶體，從而實(shí)現(xiàn)比僅有二極體時(shí)更多的損耗減少。因?yàn)檫@種拓?fù)溆欣谔岣吒吖碾娋W(wǎng)連結(jié)系統(tǒng)的整體效率，所以已經(jīng)有數(shù)篇公開發(fā)表的論文研究詳細(xì)介紹。

展望未來

物聯(lián)網(wǎng)為電源設(shè)計(jì)人員帶來諸多的新難題，而文中提到的只是冰山一角。物聯(lián)網(wǎng)的采用和覆蓋很大程度上取決于能否減少能源需求，包括采集環(huán)境能源、盡量減少家庭能源需求和降低整體網(wǎng)路能源需求等。

當(dāng)我們?yōu)槟茉床杉_發(fā)新技術(shù)時(shí)，必須要牢記減少能源需求對(duì)于推動(dòng)發(fā)展扮演了相當(dāng)重要的地位，能源需求越低，就越有可能從環(huán)境中獲取能源。

減少電網(wǎng)的能源需求也十分重要。如果是單獨(dú)考慮每一個(gè)由電網(wǎng)供電的應(yīng)用，它對(duì)效率的影響可能讓人覺得微乎其微，甚至可以忽略不計(jì)。但政府所關(guān)注的是效率損失的總數(shù)。這不是一臺(tái)洗衣機(jī)或一個(gè)基地臺(tái)，而是數(shù)百萬創(chuàng)造能源需求的應(yīng)用。

幸運(yùn)的是，電源設(shè)計(jì)人員擁有新的技術(shù)來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。有些時(shí)候，他們采用的是可將高壓元件與低壓控制相互整合的處理技術(shù)；而有些時(shí)候，則是采用能夠在更高的切換速度下保持低損耗，進(jìn)而提高高壓轉(zhuǎn)換效率的WBG裝置。對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員而言，未來必定會(huì)更加精彩、令人期待。

編輯：hfy