探索IC電源管理新領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

本文深入探討物聯(lián)網(wǎng)電池技術(shù)，并提出設(shè)計(jì)人員可能面臨的一些電源問題，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)裝置中的其他問題，包括尺寸、重量和溫度。

隨著物聯(lián)網(wǎng)裝置越來越密集地應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、家庭自動化和醫(yī)療應(yīng)用中，透過減小外形尺寸、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）來優(yōu)化這些裝置的電源管理的壓力也越來越大。相關(guān)的要求是所有這些都必須以小尺寸實(shí)現(xiàn)，既不能影響散熱，也不能干擾裝置實(shí)現(xiàn)無線通信。

物聯(lián)網(wǎng)裝置的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎沒有止境，每天都會考慮新的裝置和使用情況。基于智能發(fā)射器的應(yīng)用收集有關(guān)其所處環(huán)境的數(shù)據(jù)，以做出控制溫度、觸發(fā)警報(bào)或自動執(zhí)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(tǒng)這類可攜式儀器可以透過云端到控制中心提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果。GPS追蹤定位系統(tǒng)是另一種應(yīng)用，像是可以透過智慧耳標(biāo)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(yī)療健康應(yīng)用和基礎(chǔ)設(shè)施感測應(yīng)用。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是一個(gè)重要的成長領(lǐng)域，它是以智慧工廠為中心的第四次工業(yè)革命的一部分。許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最終都在盡可能嘗試實(shí)現(xiàn)工廠自動化，無論是透過使用自動導(dǎo)引車（AGV）、智能傳感器（例如RF標(biāo)簽或壓力表），或者是部署在工廠周圍的其他環(huán)境傳感器。

ADI認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)主要側(cè)重五大領(lǐng)域：

? 智能健康—支持臨床水平和消費(fèi)者應(yīng)用的生命體征監(jiān)測應(yīng)用；
? 智能工廠—著重于透過提升工廠的快速響應(yīng)能力、使工廠更彈性、更精簡，以建構(gòu)工業(yè)4.0；
? 智慧建筑/智慧城市—利用智慧感測技術(shù)來執(zhí)行建筑安全、車位占用檢測，以及進(jìn)行溫度和電氣控制；
? 智慧農(nóng)業(yè)—利用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動化農(nóng)業(yè)并提升資源利用效率；
? 智慧基礎(chǔ)設(shè)施—基于狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)來監(jiān)測移動和結(jié)構(gòu)健康。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
在不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員面臨哪些主要挑戰(zhàn)？這些設(shè)備或節(jié)點(diǎn)大多數(shù)是在事后安裝的，或安裝在難以接近的位置，因此無法為其供電。這表示需要完全依賴電池和/或能量采集方式供電。

在大型工廠周圍傳輸電力可能成本高昂。例如假設(shè)要為工廠中的偏遠(yuǎn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供電。如果透過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)，所以一般都會選擇使用電池或能量采集方式為這些偏遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)供電。

依賴電池供電就需要遵循嚴(yán)格的功率預(yù)算，以確保盡可能延長電池壽命，這必然會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(bào)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，這往往會導(dǎo)致對電池過度設(shè)計(jì)，以確保其擁有足夠容量，從而滿足電池的使用壽命要求，一般是要求超過10年。但是，過度設(shè)計(jì)會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(yù)算，還要盡可能減少能源使用，使電池尺寸夠小，同時(shí)仍能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

物聯(lián)網(wǎng)供電
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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；
? 利用能量采集來提供系統(tǒng)電源的裝置。

這些電源可以單獨(dú)使用，或根據(jù)應(yīng)用需要組合使用。

原電池應(yīng)用
大家都知道各種不同的原電池應(yīng)用，這些也稱為不可充電電池應(yīng)用。主要用于偶爾需要用電的應(yīng)用，亦即設(shè)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(shè)計(jì)簡單（因?yàn)闊o需包含電池充電/管理電路），以及成本較低（因?yàn)殡姵馗阋?，所需的電子組件更少）。非常適合低成本、低功耗的放電應(yīng)用，但因?yàn)檫@些電池的壽命有限，所以不太適合功耗略高的應(yīng)用，而更換電池會產(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(jié)點(diǎn)的大型物聯(lián)網(wǎng)裝置。請技術(shù)人員現(xiàn)場更換一臺裝置的電池時(shí)，通常會一次性更換所有電池以節(jié)省人工成本。但這毫無疑問是一種浪費(fèi)，只會加劇全球浪費(fèi)問題。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(fèi)使得這種電源的經(jīng)濟(jì)效益非常低。

顯然，其于基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)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(yīng)用。它們提供多種類型和尺寸選擇，而且無需使用額外的電子組件來進(jìn)行充電或管理，所以是簡單的解決方案。

從設(shè)計(jì)角度來看，關(guān)鍵挑戰(zhàn)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(fèi)大量時(shí)間來制定功率預(yù)算計(jì)劃，以確保盡量延長電池的使用壽命，設(shè)計(jì)目標(biāo)一般是10年。

對于原電池應(yīng)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(jì)數(shù)器 LTC3337和 微功耗降壓穩(wěn)壓器 LTC3336，如圖1所示。


 
圖1 : LTC3337和LTC3336應(yīng)用電路

LTC3336是一款低功耗DC-DC轉(zhuǎn)換器，輸入電壓可高達(dá)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(yīng)用。在空載狀態(tài)下調(diào)節(jié)時(shí)，靜態(tài)電流可能非常低，僅65 nA。隨著DC-DC轉(zhuǎn)換器不斷改善，可輕松設(shè)定并用于新設(shè)計(jì)中。輸出電壓可根據(jù)OUT0至OUT3接腳的連接方式進(jìn)行編程設(shè)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(jiān)視器和庫侖計(jì)數(shù)器。這是另一款可輕松用于新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，只需按照峰值電流要求（在5 mA至100 mA范圍內(nèi)）連接IPK接腳。根據(jù)選定的電池進(jìn)行一些計(jì)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(yù)算有限的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用找出合適的配套裝置。這些產(chǎn)品能夠準(zhǔn)確監(jiān)測原電池的電量使用情況，并將輸出高效轉(zhuǎn)換為可用的系統(tǒng)電壓。

可充電電池應(yīng)用
現(xiàn)在，我們來看看可充電應(yīng)用。對于需要更高功率或更高放電的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(cuò)的選擇。電池的初始成本及充電電路使可充電電池應(yīng)用的成本更高，但在需要頻繁放電和充電的高放電應(yīng)用中，這種成本是合理的，很快能實(shí)現(xiàn)回本。

根據(jù)所使用的化學(xué)物質(zhì)，可充電電池應(yīng)用的初始電量可能比原電池低，但從長遠(yuǎn)來看，效率更高，整體來說，浪費(fèi)更少。根據(jù)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(jù)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。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(dāng)電池嚴(yán)重放電時(shí)，如圖2左側(cè)所示，充電器需要具有足夠智慧，讓電池進(jìn)入預(yù)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(shè)定的電流輸入電池，直到電池電壓升至設(shè)定的浮充電壓。

設(shè)定的電流和電壓均取決于所用的電池類型，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(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)系統(tǒng)需要，透過稍微降低浮充電壓來協(xié)助延長電池的使用壽命，與針對電源的考慮一樣，就是進(jìn)行權(quán)衡和取舍。

達(dá)到浮充電壓之后，充電電流會降至零，并且會根據(jù)終止算法使該電壓保持一段時(shí)間。

圖3顯示3顆電池應(yīng)用隨時(shí)間變化的行為特性曲線。其在恒電模式下啟動，最高電流達(dá)2 A，直至電池電壓達(dá)到12.6 V恒壓閾值。充電器在終止定時(shí)器定義的時(shí)長內(nèi)保持此電壓，在本例中，時(shí)長為4個(gè)小時(shí)。許多充電器產(chǎn)品都支持編程設(shè)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(dá)3.2 A充電電流，適合于多種應(yīng)用，包括可攜式儀器儀表和需要更大電池或電池組的應(yīng)用，也可用于從太陽能充電。


 
圖4 : LTC4162：3.2 A降壓型電池充電器

能量采集應(yīng)用
在使用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和其電源時(shí)，另一個(gè)可以考慮的選項(xiàng)是能源采集。當(dāng)然，對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，需要考慮多方面因素，但免費(fèi)能源的吸引力不能低估，尤其是電源要求不太嚴(yán)格且安裝位置不能觸及（即技術(shù)維修人員接觸不到）的應(yīng)用。

有許多不同的能源可供選擇，也并非一定是戶外應(yīng)用才使用這種方式。太陽能以及壓電或振動能量、熱電能，甚至RF能量都是可以采集的（雖然其功率位準(zhǔn)很低）。圖5為使用不同收集方法時(shí)相應(yīng)的電能水平。


 
圖5 : 能源和可用于各種應(yīng)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?yàn)樾枰褂貌杉M件，例如太陽能電池板、壓電接收器或珀?duì)柼?yīng)組件，以及電能轉(zhuǎn)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的電源相比。使用能量采集器和轉(zhuǎn)換IC時(shí)，很難建構(gòu)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?yàn)樵S多電源都是交流電源，所以需要整流。我們使用二極管來實(shí)現(xiàn)整流。設(shè)計(jì)人員必須考慮其本身特性導(dǎo)致的電能損失。在增大輸入電壓的情況下，這種影響會減弱，但并非始終如此。

大多數(shù)能量采集討論中使用的組件來自 ADP509x 系列和 LTC3108，其支持廣泛的能量采集來源，提供多條電源路徑和可編程充電管理選項(xiàng)，可以提供極高的設(shè)計(jì)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?yàn)橄到y(tǒng)負(fù)載供電。從太陽能（室內(nèi)和室外）到熱電發(fā)電機(jī)（從可穿戴應(yīng)用的人體熱量或發(fā)動機(jī)熱量中提取熱能），任何能量來源都可用于為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)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(yùn)作的馬達(dá)中提取電能。


 
圖6 : 能量采集應(yīng)用中 ADP5090 的功能架構(gòu)

另一個(gè)能夠透過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(yùn)行，適合低功耗能量采集應(yīng)用。至于典型的能量采集應(yīng)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(yīng)用電路

電能管理
在討論功率預(yù)算有限的應(yīng)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(yīng)用執(zhí)行功率預(yù)算計(jì)算。這個(gè)步驟很重要，可以協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員了解系統(tǒng)中使用的重要組件，以及它們分別需要多少電能。這會影響他們的決定，是選擇原電池、可充電電池、能量采集，或?qū)⑦@些選項(xiàng)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(tǒng)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。一種常見手段是調(diào)整電源使用的操作周期，或者延長喚醒裝置使其采集和/或發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。

在嘗試管理系統(tǒng)電能使用情況時(shí)，若對每個(gè)電子裝置使用待機(jī)模式，也是一種非常有用的工具。

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相當(dāng)重要。這在電源受限的應(yīng)用（例如物聯(lián)網(wǎng)）中更是如此。在設(shè)計(jì)時(shí)間盡早制定功率預(yù)算有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員確定有效的路徑和合適的裝置，以因應(yīng)這些應(yīng)用帶來的挑戰(zhàn)，同時(shí)仍能夠以精巧尺寸解決方案實(shí)現(xiàn)高能效。

（本文作者 Diarmuid Carey為ADI核心應(yīng)用工程師）