物聯(lián)網(wǎng)在IC電源管理新世界中的最佳應(yīng)用是什么

本文探討了物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 電池技術(shù)。它描述了設(shè)計人員在供電方面面臨的一些問題，并提供了ADI公司的解決方案。這些解決方案非常高效，可以幫助遏制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的其他問題，包括尺寸、重量和溫度。

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在工業(yè)設(shè)備、家庭自動化和醫(yī)療應(yīng)用中的使用越來越多，優(yōu)化這些設(shè)備的電源管理部分的壓力越來越大——無論是通過更小的外形尺寸、更高的效率、更好的電流消耗還是更快的充電時間（對于便攜式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）。所有這些都必須在小尺寸中實現(xiàn)，既不會對散熱產(chǎn)生負(fù)面影響，也不會干擾這些設(shè)備實現(xiàn)的無線通信。

什么是物聯(lián)網(wǎng)？

這個特殊的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域有許多不同的偽裝。它通常是指一種智能的網(wǎng)絡(luò)連接電子設(shè)備，該設(shè)備可能是電池供電的，并將預(yù)先計算的數(shù)據(jù)發(fā)送到基于云的基礎(chǔ)設(shè)施。它利用處理器、通信IC和傳感器等嵌入式系統(tǒng)的混合來收集、響應(yīng)數(shù)據(jù)并將其發(fā)送回網(wǎng)絡(luò)中的中心點或其他節(jié)點。這可以是任何東西，從簡單的溫度傳感器報告室溫回到中央監(jiān)控區(qū)域，一直到跟蹤非常昂貴的工廠設(shè)備的長期健康狀況的機器健康監(jiān)視器。

最終，這些設(shè)備的開發(fā)是為了解決特定的挑戰(zhàn)，無論是自動化通常需要人為干預(yù)的任務(wù)，如家庭或樓宇自動化，還是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中提高設(shè)備的可用性和使用壽命，或者如果您考慮在基于結(jié)構(gòu)的應(yīng)用（如橋梁）中實現(xiàn)的基于狀態(tài)的監(jiān)控應(yīng)用，甚至可以提高安全性。

應(yīng)用示例

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎是無窮無盡的，每天都在考慮新設(shè)備和用例?；谥悄茏兯推鞯膽?yīng)用程序收集有關(guān)其所坐環(huán)境的數(shù)據(jù)，以做出有關(guān)控制熱量、觸發(fā)警報或自動化特定任務(wù)的決策。此外，燃?xì)獗砗涂諝赓|(zhì)量測量系統(tǒng)等便攜式儀器通過云向控制中心提供準(zhǔn)確的測量。GPS跟蹤系統(tǒng)是另一種應(yīng)用。它們允許通過智能耳標(biāo)跟蹤集裝箱以及奶牛等牲畜。這些僅包括云連接設(shè)備的一小部分。其他領(lǐng)域包括可穿戴醫(yī)療保健和基礎(chǔ)設(shè)施傳感應(yīng)用。

一個重要的增長領(lǐng)域是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，這是第四次工業(yè)革命的一部分，智能工廠占據(jù)了中心舞臺。有各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最終試圖盡可能多地實現(xiàn)工廠的自動化，無論是通過使用自動導(dǎo)引車（AGV），智能傳感器（如RF標(biāo)簽或壓力表），還是位于工廠周圍的其他環(huán)境傳感器。

從ADI的角度來看，物聯(lián)網(wǎng)的高層次關(guān)注點主要集中在五個主要領(lǐng)域：

智能健康—支持臨床層面和消費類應(yīng)用的生命體征監(jiān)測應(yīng)用。

智能工廠——專注于通過提高工廠的響應(yīng)速度、靈活性和精簡性來構(gòu)建工業(yè) 4.0。

智能建筑/智慧城市 - 使用智能傳感進(jìn)行建筑安全、停車位占用檢測以及熱和電氣控制。

智能農(nóng)業(yè) - 使用可用的技術(shù)實現(xiàn)自動化農(nóng)業(yè)和資源利用效率。

智能基礎(chǔ)設(shè)施 - 基于我們基于狀態(tài)的監(jiān)測技術(shù)來監(jiān)測運動和結(jié)構(gòu)健康狀況。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計挑戰(zhàn)

在不斷增長的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域中，設(shè)計人員面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？這些設(shè)備或節(jié)點中的大多數(shù)都是在事后安裝的，或者在難以到達(dá)的區(qū)域安裝，因此不可能為它們供電。這當(dāng)然意味著它們完全依賴電池和/或能量收集作為電源。

在大型設(shè)施周圍移動電力可能非常昂貴。例如，考慮為工廠中的遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供電。運行新的電源線為該設(shè)備供電的想法既昂貴又耗時，這基本上使電池電源或能量收集成為為這些遠(yuǎn)程節(jié)點供電的剩余選項。

對電池電源的依賴需要遵循嚴(yán)格的功率預(yù)算，以確保電池的使用壽命最大化，這當(dāng)然會影響設(shè)備的總擁有成本。電池使用的另一個缺點是需要在電池壽命到期后更換電池。這不僅包括電池本身的成本，還包括更換和可能處理舊電池的人力成本。

關(guān)于電池成本和尺寸的另一個考慮因素 - 很容易過度設(shè)計電池以確保有足夠的容量來實現(xiàn)使用壽命要求，通常大于10年。然而，過度設(shè)計會導(dǎo)致額外的成本和尺寸，因此不僅要優(yōu)化功率預(yù)算，還要盡可能減少能源使用，以便安裝盡可能小的電池，同時仍能滿足您的設(shè)計要求，這一點非常重要。

物聯(lián)網(wǎng)中的電源

出于此電源討論的目的，IoT 應(yīng)用的電源可被視為三種方案：

依賴不可充電電池電源（主電池）的設(shè)備

需要充電電池的設(shè)備

利用能量收集來提供系統(tǒng)電源的設(shè)備

這些源可以單獨使用，也可以組合使用（如果應(yīng)用程序需要）。

一次電池應(yīng)用

大家都知道不同的原電池應(yīng)用，也稱為不可充電電池應(yīng)用。這些面向僅偶爾使用電源的應(yīng)用，也就是說，設(shè)備偶爾通電，然后返回深度睡眠模式，消耗最小的功率。將其用作電源的主要優(yōu)點是它提供了高能量密度和更簡單的設(shè)計（因為您不需要容納電池充電/管理電路）以及更低的成本，因為電池更便宜且需要更少的電子設(shè)備。它們非常適合低成本、低功耗應(yīng)用，但由于這些電池的使用壽命有限，因此它們不太適合功耗稍高的應(yīng)用，因此這會產(chǎn)生更換電池的成本以及更換電池所需的維修技術(shù)人員的成本。

考慮具有許多節(jié)點的大型 IoT 安裝。由于您有技術(shù)人員在現(xiàn)場更換一臺設(shè)備的電池，因此通常最終會一次性更換所有電池以節(jié)省人工成本。當(dāng)然，這是浪費，只會加劇我們整個全球廢物問題。最重要的是，不可充電電池僅提供最初用于制造它們的功率的2%左右。~98%的能源浪費使它們成為非常不經(jīng)濟(jì)的電源。

顯然，這些在基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序中確實占有一席之地。其相對較低的初始成本使其成為低功耗應(yīng)用的理想選擇。有不同類型和尺寸的負(fù)載可用，并且由于它們不需要太多額外的電子設(shè)備進(jìn)行充電或管理，因此它們是一個簡單的解決方案。

從設(shè)計的角度來看，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是充分利用這些小電源提供的能量。為此，需要花費大量時間制定功率預(yù)算計劃，以確保電池的使用壽命最大化，10 年是常見的壽命目標(biāo)。

對于原電池應(yīng)用，我們毫微功耗產(chǎn)品系列中的兩款器件值得考慮：LTC3337毫微功耗庫侖計數(shù)器和LTC3336毫微功耗降壓穩(wěn)壓器，如圖1所示。

圖1.LTC3337和LTC3336應(yīng)用電路。

LTC?3336是一款低功耗DC-DC轉(zhuǎn)換器，采用高達(dá)15 V的輸入供電，具有可編程峰值輸出電流水平。輸入電壓可低至2.5 V，非常適合電池供電應(yīng)用。

靜態(tài)電流極低，為65 nA，空載調(diào)節(jié)時。隨著DC-DC轉(zhuǎn)換器的發(fā)展，這很容易在新設(shè)計中進(jìn)行設(shè)置和使用。輸出電壓根據(jù) OUT0 至 OUT3 引腳的搭接方式進(jìn)行編程。

LTC3336 的配套器件是 LTC3337，它是一款毫微功率原電池健康狀態(tài)監(jiān)視器和庫侖計數(shù)器。這是新設(shè)計中另一種易于使用的器件——只需根據(jù)所需的峰值電流（5 mA 至 100 mA 區(qū)域）連接 IPK 引腳即可。根據(jù)所選電池運行一些計算，然后根據(jù)所選峰值電流填充推薦的輸出電容，詳見數(shù)據(jù)手冊。

最終，這是一對出色的設(shè)備組合，適用于功率預(yù)算有限的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。這些器件既可以精確監(jiān)控原電池的能量使用情況，又可以有效地將輸出轉(zhuǎn)換為可用的系統(tǒng)電壓。

可充電電池應(yīng)用

讓我們繼續(xù)討論可充電應(yīng)用程序。對于無法選擇主電池更換頻率的更高功率或更高漏極的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，這些是一個不錯的選擇。由于電池和充電電路的初始成本，可充電電池應(yīng)用是一種成本較高的實施方式，但在電池耗盡并頻繁充電的高耗電應(yīng)用中，成本是合理的，很快就會收回。

根據(jù)所使用的化學(xué)成分，可充電電池應(yīng)用的初始能量可能低于原電池，但從長遠(yuǎn)來看，它是更有效的選擇，并且總體而言，浪費更少。根據(jù)電力需求，另一種選擇是電容器或超級電容器存儲，但這些更多用于短期備份存儲。

電池充電涉及幾種不同的模式和專業(yè)配置文件，具體取決于所使用的化學(xué)成分。例如，鋰離子電池充電曲線如圖2所示。底部是電池電壓，充電電流在垂直軸上。

圖2.充電電流與電池電壓的關(guān)系。

當(dāng)電池嚴(yán)重放電時，如圖2左側(cè)所示，充電器需要足夠聰明地將其置于預(yù)充電模式，以便在進(jìn)入恒流模式之前將電池電壓緩慢增加到安全水平。

在恒流模式下，充電器將編程電流推入電池，直到電池電壓上升到編程浮動電壓。

編程電流和電壓均由所使用的電池類型定義 - 充電電流受 C 速率和所需充電時間的限制，浮動電壓基于電池的安全值。如果系統(tǒng)需要，系統(tǒng)設(shè)計人員可以稍微降低浮動電壓，以幫助延長電池的使用壽命——就像所有有電源的東西一樣，這一切都需要權(quán)衡取舍。

當(dāng)達(dá)到浮動電壓時，可以看到充電電流降至零，并且根據(jù)終止算法保持該電壓一段時間。

圖 3 為一個 3 單元應(yīng)用提供了不同的圖表，顯示了一段時間內(nèi)的行為。電池電壓以紅色顯示，充電電流以藍(lán)色顯示。它以恒流模式啟動，最高電流為2 A，直到電池電壓達(dá)到12.6 V恒壓閾值。充電器在終止定時器定義的時間內(nèi)保持此電壓，在本例中為 4 小時窗口。該時間可在許多充電器部件上編程。

圖3.充電電壓/電流與時間的關(guān)系。

有關(guān)電池充電的更多信息以及一些有趣的產(chǎn)品，我推薦《模擬對話》文章“適用于任何化學(xué)的簡單電池充電器IC”。

圖4顯示了多功能降壓電池充電器LTC4162的一個很好的例子，它可以提供高達(dá)3.2 A的充電電流，適合各種應(yīng)用，包括便攜式儀器和需要更大電池或多節(jié)電池的應(yīng)用。它也可以用來從太陽能充電。

圖4.LTC4162是一款3.2 A降壓型電池充電器。

能量收集應(yīng)用

在使用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及其電源時，要考慮的另一個選擇是能量收集。當(dāng)然，系統(tǒng)設(shè)計人員有幾個考慮因素，但自由能源的吸引力不容低估，特別是對于電源要求不太重要且需要放手安裝的應(yīng)用，也就是說，沒有服務(wù)技術(shù)人員可以到達(dá)它。

有許多不同的能源可供選擇，它們不需要是戶外應(yīng)用來利用它們。可以收集太陽能以及壓電或振動能量，熱電能量，甚至RF能量（盡管其功率水平非常低）。

圖5提供了使用不同收獲方法時的近似能量水平。

圖5.可用于各種應(yīng)用的能源和近似水平。

至于缺點，與前面討論的其他電源相比，初始成本更高，因為您需要收集元件，例如太陽能電池板、壓電接收器或珀爾帖元件，以及能量轉(zhuǎn)換 IC 和相關(guān)使能組件。

另一個缺點是整體解決方案尺寸，特別是與紐扣電池等電源相比。使用能量收集器和轉(zhuǎn)換IC很難實現(xiàn)小尺寸的解決方案。

效率方面，這可能是一個棘手的管理低能量水平的問題。這是因為許多電源是交流電，因此需要整流。二極管用于執(zhí)行此操作。設(shè)計人員必須處理由其固有特性引起的能量損失。隨著輸入電壓的增加，其影響會減小，但這并不總是可能的。

在大多數(shù)能量收集討論中彈出的器件來自ADP509x系列產(chǎn)品和LTC3108，它們可以通過多條電源路徑和可編程充電管理選項來適應(yīng)各種能量收集源，從而提供最高的設(shè)計靈活性。多種能源可用于為ADP509x供電，但也可用于從該電源中提取能量，為電池充電或為系統(tǒng)負(fù)載供電。從太陽能（室內(nèi)和室外）到熱電發(fā)電機，從可穿戴應(yīng)用中的體溫或發(fā)動機熱量中提取熱能的任何東西都可用于為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供電。另一種選擇是從壓電源收集能量，這增加了另一層靈活性——例如，這是從運行電機中提取電力的不錯選擇。

圖6.ADP5090在收獲應(yīng)用中的框圖。

另一款能夠由壓電電源供電的器件是ADP5304，其靜態(tài)電流非常低（空載時典型值為260 nA），非常適合低功耗能量收集應(yīng)用。數(shù)據(jù)手冊共享一個典型的能量收集應(yīng)用電路（見圖7），該電路由壓電電源供電，用于為ADC或RF IC供電。

圖7.ADP5304壓電源應(yīng)用電路

能源管理

與功率預(yù)算有限的應(yīng)用相關(guān)的任何討論中應(yīng)包含的另一個領(lǐng)域是能源管理。首先，在查看不同的電源管理解決方案之前，為應(yīng)用開發(fā)功率預(yù)算計算。這一重要步驟有助于系統(tǒng)設(shè)計人員了解系統(tǒng)中使用的關(guān)鍵組件以及它們需要多少能量。這會影響他們選擇原電池、可充電電池、能量收集或這些組合作為電源方法的決定。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集信號并將其發(fā)送回中央系統(tǒng)或云的頻率是查看能源管理時的另一個重要細(xì)節(jié)，這對整體功耗有很大影響。一種常見的技術(shù)是占空比電源使用或延長喚醒設(shè)備以收集和/或發(fā)送數(shù)據(jù)之間的時間。

在嘗試管理系統(tǒng)能源使用時，在每個電子設(shè)備（如果可用）上使用待機模式也是一個有用的工具。

結(jié)論

與所有電子應(yīng)用一樣，盡早考慮電路的電源管理部分非常重要。這在物聯(lián)網(wǎng)等功耗受限的應(yīng)用中更為重要。在流程早期制定功率預(yù)算可以幫助系統(tǒng)設(shè)計人員確定最有效的路徑和合適的器件，以應(yīng)對這些應(yīng)用帶來的挑戰(zhàn)，同時仍以較小的解決方案尺寸實現(xiàn)高能效。

審核編輯：郭婷