淺談物聯(lián)網(wǎng)應用的智能電源管理

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 是當今與所有事物都相關的流行詞——從用于預防性維護的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)到用于跟蹤資產(chǎn)的智能、自供電標簽，幾乎涵蓋了所有商業(yè)和工業(yè)中使用的小型器件。本文通過專業(yè)的闡述和應用解析，從電源的角度出發(fā)，幫助理解如何在不同級別的應用中，用以電源為中心的思維方式獲得層級式解決方案。

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 可以代表很多事物。例如對某些人來說，是藍牙 低功耗 （BLE）設備，可以讓智能手機進行通信甚至控制任何現(xiàn)代電子設備。對其他人來說，IoT代表傳感器無處不在，從用于跟蹤的高價值資產(chǎn)、設備預防性維護的環(huán)境監(jiān)測（更常稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或 IIoT），到可穿戴的醫(yī)療設備/植入物，傳感器會將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行大數(shù)據(jù)分析?！?/p>

2006年英國數(shù)學家 Clive Humby的名言暗示了這種使用海量數(shù)據(jù)分析所建立的行業(yè)，他說：「數(shù)據(jù)是新的石油?！?或許對于許多人來說，IoT只是為烤面包機或窗簾增加了一個「智能」名稱，然而不清楚這對今天和明天的技術來說究竟意味著什么。

從電源角度看

IoT的意思是使用電池的低功耗系統(tǒng)以及系統(tǒng)的整合，特別是在遠程監(jiān)控、電動/自動駕駛汽車 （EV/AV） 、航空/軍事應用和其他陸上大型運輸（即鐵路）。以電源的角度來看，它可能是無所不在的無線傳感器網(wǎng)絡（WSN），這些網(wǎng)絡嵌在無法訪問、非常昂貴或危險的環(huán)境中（如深油井、永久嵌入建筑物或風力發(fā)電機的渦輪葉片）。

這也代表以前無法實現(xiàn)的遙測、控制和預防性維護措施將有機會得到實現(xiàn)。正如這些不同的系統(tǒng)和應用所暗示的那樣，即使電路本身的功率相對較低，IoT/IIoT仍可以整合在低功率和高功率的環(huán)境中。

大部分物聯(lián)網(wǎng)的「物」通常是電池供電的低功耗系統(tǒng)，主要使用原電池或不可充電電池。由于我們預計在不久的將來會有 1000 億個終端設備（如果沒有大于 1T 的話），這種增長幅度需要大量的電池，也就是如果我們每天丟棄超過 1 億個電池將導致垃圾場充滿有害廢棄物，這將會是一場全球悲劇。

除了考慮到環(huán)境或可持續(xù)性以外，單純以經(jīng)濟角度來看也并非想象中那么簡單，因為即使能夠大量便宜地購買這些小型原電池，但如果它們必須更換，那么最終成本可能會比整個系統(tǒng)高出數(shù)倍（例如，運營和維護費用可能大大超過成本支出，從而影響總成本）。

環(huán)境問題加上許多設備的系統(tǒng)功率預算非常低，因此出現(xiàn)了要用二次電池或可充電電池（或其他儲能設備，如電容器）和汲取環(huán)境能量（也稱為能量收集）的建議。IoT/IIoT、能量收集、能量存儲和低功耗通信的融合就組成了大部分所謂的電力物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

智能電源管理

在大多數(shù)IoT/IIoT的應用中，盡可能地延長電池壽命至關重要，因為這與可用功率（例如能源）與系統(tǒng)功率預算（例如負載）之間的關系密切相關。似乎大部分的努力和資源都投入到可用功率最大化和提高電源轉(zhuǎn)換器的效率上，而較少關注在如何降低系統(tǒng)功率預算上。

這樣的情況可能令人有點困惑，因為比起更大的電池或更高效的電源轉(zhuǎn)換器，更有機會使用智能電源管理 （IPM） 的技術來降低系統(tǒng)負載消耗。換句話說，以摩爾定律降低系統(tǒng)功率預算的速度比提升電池的能量密度來得更快。一般來說，電池容量大約每十年才會翻上一倍，而集成電路 （IC） 甚至微機電系統(tǒng) （MEMS） 傳感器等設備在提升功能的同時幾乎可以每隔一年就將功耗減半。

如下圖所示，若能源為分母，系統(tǒng)功率預算為分子，你的系統(tǒng)生存能力是這兩者的拐點，減少分子的速度比增加分母的速度要快得多。換句話說，當比率 《 1 時，

圖 1 – 可用功率和系統(tǒng)功率預算的關系

另外要注意的是仔細思考和設計如何不需要供電，因為以功耗的角度來看沒有什么比已關閉的裝置更環(huán)?；蚋咝У牧?。因此優(yōu)化系統(tǒng)功率預算的最佳途徑就是弄清楚如何保持關閉或處在最小功率狀態(tài)的同時仍達到應用目的。

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設計未來的電源

通常來說無線電在 IoT/IIoT 設備的系統(tǒng)功率預算中占比最高，找到正確的傳輸與睡眠比率可以對電池壽命產(chǎn)生巨大影響。即使溫度傳感器能以 1 kHz 的頻率進行采樣，您是否需要知道如此精細的信息？更重要的是，是否有必要處理和傳輸這么多的數(shù)據(jù)？

隨著整合計算、傳感器、無線電、顯示器、電機控制、能量存儲和電源管理的趨勢上升，對尺寸、重量和功率（也稱為SWaP）的挑戰(zhàn)也逐步增加。傳統(tǒng)的分解式系統(tǒng)組合成越來越復雜的集成組件，例如片上系統(tǒng)（SoC） 或集成電機驅(qū)動系統(tǒng)。

這里的信息看似有點沖突，因為提到了SWaP挑戰(zhàn)的增加又說到要同時減少單獨系統(tǒng)組件。雖然在表面上看起來是個悖論但其實不是，因為系統(tǒng)設計人員/集成商總是在他們可以做的范圍內(nèi)盡可能塞更多的負載和功能。

雖然單個負載占用空間可能會降低熱設計功率（TDP） 預算，但還是有一股不斷推動整個系統(tǒng)功率預算向上的趨勢。此刻就是電力電子和嵌入式工程發(fā)揮的時候，通過 IPM技術以嘗試降低系統(tǒng)功率預算。

這個集成不但提高了組件和系統(tǒng)的密度，同時還增加了電源設計的復雜性?？梢韵胂竺糠N應用都有特定的設計規(guī)則和需求以及它們之間細微的差異性，如數(shù)據(jù)中心服務器、電信/無線基站、汽車、多元傳感器系統(tǒng)、關鍵電池或備用電源系統(tǒng)。每個行業(yè)和應用領域都有屬于自己的挑戰(zhàn)、特殊技能、標準/法規(guī)、供應鏈和商業(yè)模式。

那么現(xiàn)在，當它們組合成一個單一的「智能」物品時會發(fā)生什么呢？自動駕駛汽車是這種融合的典型例子，因為它將本段中提到的每一件事物都結(jié)合在一起，或結(jié)合到車輛之中。在這里可以利用IoT/IIoT 的優(yōu)勢來最大化提高智能和性能，同時盡量降低每個子系統(tǒng)的能耗。例如，WSN為應用帶來的好處是以使用無線技術而減少每克布線所節(jié)省的燃料來衡量的。

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能源效率與僅提供能源

對于任何電源設計人員來說，把降低能源效率和優(yōu)化電力交換作為最優(yōu)先事項可能是一種錯誤，但在某些應用中，不惜一切代價將電力輸送到負載才是最重要的。例如，在自動化工業(yè)中，意外停電可能會產(chǎn)生嚴重后果。在一些難以接近或惡劣的環(huán)境但又需要低功率的應用也能充分說明這一點，比如醫(yī)療植入物或裝置，或者嵌在橋梁或建筑物等大型結(jié)構中的WSN。

近幾年來無線電力傳輸 （WPT） 的名聲不太好，有時是為了方便消費者，但有時是為了解決能源輸送的挑戰(zhàn)。然而，有能力區(qū)分很多 WPT 應用被錯誤歸類為能量收集是很重要的。雖然這可能比較像是語義上的爭論，但 WPT 通常涉及來自定向的電力換流（通常是離線或墻面上的電源），這其中的「線」恰好是無線鏈接。這與真的能收集環(huán)境能量的遠場射頻 （RF） 是相反的。

對大多數(shù)消費性應用而言，WPT代表的是能源效率的倒退，因為無線傳輸?shù)牡托矢褂?20 多年前的有線 AC/DC 適配器無異（也就是臭名昭彰的壁掛式適配器） ，只因人們不肯花點力氣插入電線。另一方面，如果想要從堅固的水泥中的 IoT節(jié)點捕獲、處理和讀取數(shù)據(jù)，或為嵌入活組織的原位 WSN 提供能量，即使WPT 的電力換流的效率很低在此時卻很有用處。

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低功耗仍需要高隔離

即使系統(tǒng)或 IoT 設備的功率極低且以低壓運行，也不應假設它是在分離的且安全特低電壓（SELV） 的環(huán)境中。特別是IIoT 應用的 WSN或IoT 節(jié)點可能連接到使用三相電壓的大型機械或高功率系統(tǒng)，因此需要使用能夠在高交流輸入電壓下運行的低功率電源。

這意味著電源解決方案可能需要提供寬輸入電壓范圍、幾 kV的隔離電壓同時包含多種保護功能，例如過壓保護（OVP）、過流保護（OCP） 、過溫保護（OTP） 以及其他保護機制。這些設計要求可能對電源解決方案來說是基本的，即使它提供的功率相對較低僅 1 瓦或 10 瓦。這在與人體直接接觸的應用也很重要，例如醫(yī)療設備和醫(yī)學影像應用。

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可持續(xù)性與未來展望

如前所述，IoT/IIoT 可以提供前所未有的機會，利用海量數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化功耗和通過環(huán)境監(jiān)控進行預防性維護等，大幅度減少碳排放以及資本和運營支出 （CAPEX/OPEX）。但同時，IoT/IIoT會在電池等有害物質(zhì)方面造成前所未有的浪費，消耗高過于地球能供給的各種貴金屬、稀土材料和有限的氣體。

IoT/IIoT 技術和能量收集的兼容性是這些市場最令人興奮和最有希望的共生關系之一，因為理想的情況是傳感器系統(tǒng)可以永久地從周圍環(huán)境自我供電。這不僅能減少要有可靠性的關鍵路徑物（即是原電池、連接器等），還可以讓不需維護的「永久」系統(tǒng)一直運行下去。

就像生活中最復雜的問題一樣，這里的關鍵信息是，沒有一個絕對的、簡單的答案來為解決方案或相關的業(yè)務和回報計算做解答。如果試圖最大化性能和可持續(xù)性，就必須考慮各種二階因素。

在未來的發(fā)布中，我們將深入探討「虛擬能源」或「從搖籃到墳墓」生命周期的概念，這才是以全面的生命周期來評估產(chǎn)品的真正足跡（通常是以碳排放和水消耗足跡來衡量） ，而這涵蓋了從原材料采集和制造到產(chǎn)品使用壽命和生產(chǎn)后的處理（即回收、處理有害物質(zhì)等）。

編輯：黃飛