物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備電源設(shè)計(jì)指南

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來(lái)越多地用于工業(yè)設(shè)備、家居自動(dòng)化和醫(yī)療應(yīng)用中，通過(guò)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(duì)于便攜式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）來(lái)優(yōu)化這些設(shè)備的電源管理的壓力也越來(lái)越大。所有這些都必須以小尺寸實(shí)現(xiàn)，既不能影響散熱，也不能干擾這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域存在多種表現(xiàn)形式，它通常是指一種智能聯(lián)網(wǎng)電子設(shè)備，可能由電池供電，并將預(yù)先計(jì)算的數(shù)據(jù)發(fā)送給基于云的基礎(chǔ)設(shè)施。它利用嵌入式系統(tǒng)集合體（例如處理器、通信IC和傳感器）來(lái)收集、響應(yīng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送回網(wǎng)絡(luò)的中心位置或其他節(jié)點(diǎn)。這可以是任何東西，例如簡(jiǎn)單的溫度傳感器，用于向中央監(jiān)控區(qū)域報(bào)告室溫，或者設(shè)備健康監(jiān)測(cè)器，用于跟蹤監(jiān)測(cè)價(jià)格高昂的工廠設(shè)備的長(zhǎng)期健康狀況。

最終，開(kāi)發(fā)這些設(shè)備是為了解決特定挑戰(zhàn)，無(wú)論是為了自動(dòng)執(zhí)行通常需要人工干預(yù)的任務(wù)，比如家居或樓宇自動(dòng)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，如果考慮在基于架構(gòu)的應(yīng)用（例如橋梁）中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用，甚至可以提升安全性。

應(yīng)用示例

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎沒(méi)有止境，每天都會(huì)考量新的設(shè)備和使用情況?；谥悄馨l(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(dòng)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(cè)量系統(tǒng)這類(lèi)便攜式儀器可以通過(guò)云向控制中心提供準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。GPS跟蹤定位系統(tǒng)是另一種應(yīng)用，例如可以通過(guò)智能耳標(biāo)追蹤集裝箱牲畜（例如奶牛）。這些只是云連接設(shè)備中的一小部分，其他領(lǐng)域包括可穿戴醫(yī)療健康應(yīng)用和基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)應(yīng)用。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是一個(gè)重要的增長(zhǎng)領(lǐng)域，它是以智能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)用最終都在嘗試盡可能實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化，無(wú)論是通過(guò)使用自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(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?chē)钠渌h(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(cè)應(yīng)用。

◆ 智能工廠——側(cè)重于通過(guò)提高工廠的快速響應(yīng)能力、使工廠更靈活、更精簡(jiǎn)，以構(gòu)建工業(yè)4.0。

◆ 智能樓宇/智慧城市——利用智能傳感技術(shù)來(lái)執(zhí)行樓宇安全、車(chē)位占用檢測(cè)，以及實(shí)施溫度和電氣控制。

◆ 智能農(nóng)業(yè)——利用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化農(nóng)業(yè)并提升資源利用效率。

◆ 智能基礎(chǔ)設(shè)施——基于狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)移動(dòng)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(wú)法為其供電。這意味著需要完全依賴(lài)電池和/或能量收集方式供電。

在大型工廠周?chē)鷤鬏旊娏赡艹杀靖甙?。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。如果通過(guò)部署新電纜為該設(shè)備供電，不僅實(shí)施成本高昂，而且極為耗時(shí)，所以一般都會(huì)選擇使用電池或能量收集方式為這些偏遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)供電。

依賴(lài)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(zhǎng)電池壽命，這必然會(huì)影響設(shè)備的總擁有成本。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(huì)導(dǎo)致對(duì)電池過(guò)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(guò)10年。但是，過(guò)度設(shè)計(jì)會(huì)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，使電池尺寸足夠小，同時(shí)仍能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

為了方便討論，我們將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的電源分為以下三種情況，這些電源可以單獨(dú)使用，或根據(jù)應(yīng)用需要組合使用。

◆ 使用不可充電電池（原電池）的設(shè)備

◆ 需要使用可充電電池的設(shè)備

◆ 利用能量收集來(lái)提供系統(tǒng)電源的設(shè)備

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(chēng)為不可充電電池應(yīng)用。主要用于偶爾需要用電的應(yīng)用，也就是說(shuō)，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(shì)在于：它提供高電能密度，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單（因?yàn)闊o(wú)需包含電池充電/管理電路），以及成本較低（因?yàn)殡姵馗阋?，所需的電子器件更少）。它們非常適合低成本、低功耗的放電應(yīng)用，但是，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(huì)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。當(dāng)您請(qǐng)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)更換一臺(tái)設(shè)備的電池時(shí)，通常會(huì)一次性更換所有電池，以節(jié)省人工成本。毫無(wú)疑問(wèn)，這是一種浪費(fèi)，只會(huì)加劇全球浪費(fèi)問(wèn)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，它們?cè)诨谖锫?lián)網(wǎng)的應(yīng)用中確有一席之地。相對(duì)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(lèi)型和尺寸選擇，而且無(wú)需使用額外的電子器件來(lái)進(jìn)行充電或管理，所以是簡(jiǎn)單的解決方案。

從設(shè)計(jì)角度來(lái)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(lái)制定功率預(yù)算計(jì)劃，以確保盡量延長(zhǎng)電池的使用壽命，設(shè)計(jì)目標(biāo)一般是10年。

對(duì)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：LTC3337 微功耗庫(kù)侖計(jì)數(shù)器和 LTC3336 微功耗降壓穩(wěn)壓器，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，因此非常適合電池供電應(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)換器不斷改進(jìn)，可輕松設(shè)置并用于新設(shè)計(jì)中。輸出電壓可根據(jù)OUT0至OUT3引腳的連接方式進(jìn)行編程設(shè)置。

LTC3336的配套器件是LTC3337，這是一款微功耗原電池健康狀態(tài)監(jiān)視器和庫(kù)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引腳。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，具體參見(jiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)。

最終，為功率預(yù)算有限的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用找出合適的配套設(shè)備。這些產(chǎn)品能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)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(lái)看看可充電應(yīng)用。對(duì)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。電池的初始成本以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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，效率更高，總體來(lái)說(shuō)，浪費(fèi)更少。根據(jù)電力需求，還可以選擇電容或超級(jí)電容存儲(chǔ)，但它們更多用于短期后備存儲(chǔ)。

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中顯示的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能，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)入恒流模式。在恒流模式下，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(lèi)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，通過(guò)稍微降低浮充電壓來(lái)幫助延長(zhǎng)電池的使用壽命，與針對(duì)電源的考量一樣，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(huì)降至零，并且會(huì)根據(jù)終止算法使該電壓保持一段時(shí)間。

圖3顯示了3電池應(yīng)用隨時(shí)間變化的行為特性曲線。紅色線條表示電池電壓，藍(lán)色線條表示充電電流。它在恒流模式下啟動(dòng)，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(zhǎng)內(nèi)保持此電壓，在本例中，時(shí)長(zhǎng)為4個(gè)小時(shí)。許多充電器產(chǎn)品都支持編程設(shè)置該時(shí)間。

圖3.充電電壓/電流與時(shí)間的關(guān)系。

圖4顯示了一個(gè)不錯(cuò)的多功能降壓型電池充電器( LTC4162)示例，它可以提供高達(dá)3.2 A充電電流，適合用于多種應(yīng)用，包括便攜式儀器儀表和需要更大電池或電池組的應(yīng)用。它也可用于從太陽(yáng)能充電。

圖4.LTC4162：3.2 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)用和其電源時(shí)，另一個(gè)可以考慮的選項(xiàng)是能源收集。當(dāng)然，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，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(yáng)能以及壓電或振動(dòng)能量、熱電能，甚至RF能量都是可以收集的（雖然其功率電平很低）。圖5顯示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)，與之前討論的其他電源相比，其初始成本更高，因?yàn)樾枰褂檬占?，例如太?yáng)能電池板、壓電接收器或珀?duì)柼?yīng)元件，以及電能轉(zhuǎn)換IC和相關(guān)的使能組件。另一個(gè)缺點(diǎn)是解決方案的整體尺寸更大，特別是與紐扣電池這樣的電源相比。使用能量收集器和轉(zhuǎn)換IC時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)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(lái)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(huì)減弱，但并非始終如此。

大多數(shù)能量收集討論中使用的器件來(lái)自 ADP509x 產(chǎn)品系列和 LTC3108，它支持廣泛的能量收集來(lái)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)靈活性?？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(yáng)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(dòng)機(jī)熱量中提取熱能），任何能量來(lái)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，這增加了另一層靈活性，也是一種很不錯(cuò)的方式，（例如）可以從運(yùn)行的電機(jī)中提取電能。

圖6.能量收集應(yīng)用中 ADP5090 的功能框圖。

另一個(gè)能夠通過(guò)壓電電源供電的器件是 ADP5304，它以較低的靜態(tài)電流（空載狀態(tài)下一般為260 nA）運(yùn)行，非常適合低功耗能量收集應(yīng)用。數(shù)據(jù)手冊(cè)中展示了一個(gè)典型的能量收集應(yīng)用電路（參見(jiàn)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)，還應(yīng)當(dāng)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(duì)應(yīng)用執(zhí)行功率預(yù)算計(jì)算。這個(gè)步驟很重要，可以幫助系統(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(huì)影響他們的決定，是選擇原電池、可充電電池、能量收集，還是將這些選項(xiàng)組合使用。

在研究電能管理時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集信號(hào)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(duì)整體功耗有很大影響。一種常見(jiàn)手段是調(diào)整電源使用的占空比，或者延長(zhǎng)喚醒設(shè)備使其收集和/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)，對(duì)每個(gè)電子設(shè)備使用待機(jī)模式（如果提供）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很重要。這在電源受限的應(yīng)用（例如物聯(lián)網(wǎng)）中更加重要。在設(shè)計(jì)階段盡早制定功率預(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設(shè)備，以應(yīng)對(duì)這些應(yīng)用帶來(lái)的挑戰(zhàn)，同時(shí)仍能夠以小尺寸解決方案實(shí)現(xiàn)高能效。