在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中應(yīng)用電源管理解決方案

本文探討物聯(lián)網(wǎng)電池技術(shù)。它描述了設(shè)計人員在電源方面面臨的一些問題，并提供了 Analog Devices 的解決方案。這些解決方案非常高效，可以幫助遏制 IoT 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——無論是通過減小尺寸、提高效率、改善電流消耗還是加快充電時間。所有這些都必須在不會對散熱產(chǎn)生負(fù)面影響或干擾這些設(shè)備實現(xiàn)的無線通信的小型尺寸中實現(xiàn)。

什么是物聯(lián)網(wǎng)？

這個物聯(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、聯(lián)網(wǎng)的電子設(shè)備，它可能由電池供電，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)并將數(shù)據(jù)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，從將室溫報告回中央監(jiān)控區(qū)域的簡單溫度傳感器一直到跟蹤非常昂貴的工廠設(shè)備的長期性能數(shù)據(jù)的機器健康監(jiān)視器。

最終，這些設(shè)備的開發(fā)是為了解決一個特定的挑戰(zhàn)，無論是自動化通常需要人工干預(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)用程序（例如橋梁）中實施的基于狀態(tài)的監(jiān)控應(yīng)用程序，甚至可以提高安全性。

示例應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎是無窮無盡的。基于智能變送器的應(yīng)用程序收集有關(guān)它們所處環(huán)境的數(shù)據(jù)，以做出關(guān)于控制熱量、觸發(fā)警報或自動化任務(wù)的決策。此外，燃氣表和空氣質(zhì)量測量系統(tǒng)等便攜式儀器可通過云向控制中心提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果。GPS跟蹤系統(tǒng)是另一種應(yīng)用。它們允許通過智能耳標(biāo)跟蹤集裝箱和牲畜。這些僅包括一小部分云連接設(shè)備。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，它是第四次工業(yè)革命的一部分。有廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序最終試圖盡可能多地實現(xiàn)工廠自動化，無論是通過使用自動導(dǎo)引車、射頻標(biāo)簽或壓力計等智能傳感器，還是位于工廠周圍的其他環(huán)境傳感器。工廠。

從 ADI 的角度來看，物聯(lián)網(wǎng)的高層次重點集中在五個主要領(lǐng)域：

智能健康：支持臨床和消費者應(yīng)用的生命體征監(jiān)測應(yīng)用

智能工廠：專注于打造工業(yè) 4.0，讓工廠更靈敏、更靈活、更精簡

智能建筑/智慧城市：將智能傳感用于樓宇安全、停車位占用檢測以及熱電控制

智能農(nóng)業(yè)：利用現(xiàn)有技術(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

有關(guān)這些重點領(lǐng)域以及可用于支持它們的技術(shù)的更多信息，請訪問analog.com/IoT。

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，設(shè)計師面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？大多數(shù)這些設(shè)備或節(jié)點都是在事后安裝或安裝在難以到達的區(qū)域，因此不可能為它們供電。當(dāng)然，這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，考慮為工廠中的遠程 IoT 節(jié)點供電。運行一條新的電源線為該設(shè)備供電的想法既昂貴又耗時，這基本上將電池供電或能量收集作為為這些遠程節(jié)點供電的剩余選項。

對電池功率的依賴需要遵循嚴(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置舊電池的潛在高昂人工成本。

對電池成本和尺寸的額外考慮：很容易過度設(shè)計電池以確保有足夠的容量來滿足壽命要求，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，以安裝仍能滿足您的設(shè)計要求的盡可能小的電池。

物聯(lián)網(wǎng)中的力量

出于本次電源討論的目的，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的電源可以被視為三個場景：

依賴非充電電池供電的設(shè)備（原電池）

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

如果應(yīng)用程序需要，這些源可以單獨使用或組合使用。

原電池應(yīng)用

不可充電電池應(yīng)用面向僅偶爾使用電源的應(yīng)用，也就是說，設(shè)備偶爾會通電，然后再回到消耗最少電量的深度睡眠模式。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，并且成本更低，因為電池更便宜并且需要更少的電子設(shè)備。它們非常適合低成本、低功耗的應(yīng)用。但是，由于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。

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)場為一臺設(shè)備更換電池，因此通常會一次性更換所有電池以節(jié)省人工成本。當(dāng)然，這是一種浪費，只會加劇全球的浪費問題。最重要的是，不可充電電池最初僅提供制造它們所用電力的 2% 左右。約 98% 的能源浪費使它們成為非常不經(jīng)濟的能源。

顯然，這些確實在基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序中占有一席之地。它們相對較低的初始成本使其成為低功耗應(yīng)用的理想選擇。有許多不同的類型和尺寸可供選擇，由于它們不需要太多額外的電子設(shè)備來進行充電或管理，因此它們是一種簡單的解決方案。

從設(shè)計的角度來看，關(guān)鍵挑戰(zhàn)是最大限度地利用這些電源提供的能量。為此，重要的是制定一個功率預(yù)算計劃，以確保電池的使用壽命最大化，10 年是一個常見的使用壽命目標(biāo)。

對于一次電池應(yīng)用，ADI 毫微功率系列產(chǎn)品中的兩個部件值得考慮：LTC3337 毫微功率庫侖計和 LTC3336 毫微功率降壓穩(wěn)壓器，如圖 1 所示。

LTC3336 是一款低功率 DC 至 DC 轉(zhuǎn)換器，可在高達 15V 的輸入范圍內(nèi)運行，具有可編程峰值輸出電流水平。輸入可低至 2.5 V，非常適合電池供電的應(yīng)用。

在無負(fù)載調(diào)節(jié)時，靜態(tài)電流極低，僅為 65 nA。隨著 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的發(fā)展，這很容易在新設(shè)計中設(shè)置和使用。輸出電壓根據(jù) OUT0 至 OUT3 引腳的連接方式進行編程。

LTC3336 的配套器件是 LTC3337，這是一款毫微功率主電池健康狀態(tài)監(jiān)視器和庫侖計數(shù)器。這是另一種易于在新設(shè)計中使用的器件 — 只需根據(jù)所需的峰值電流（在 5-mA 至 100-mA 范圍內(nèi)）連接 IPK 引腳即可。根據(jù)您選擇的電池運行一些計算，然后根據(jù)數(shù)據(jù)表中注明的所選峰值電流填充推薦的輸出上限。

歸根結(jié)底，這是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備的絕佳配對，功率預(yù)算有限。這些部件既可以準(zhǔn)確監(jiān)控原電池的能源使用情況，又可以有效地將輸出轉(zhuǎn)換為可用的系統(tǒng)電壓。

圖 1：LTC3337 和 LTC3336 應(yīng)用電路

可充電電池應(yīng)用

讓我們繼續(xù)討論可充電應(yīng)用。對于不能選擇一次電池更換頻率的高功率或高耗電 IoT 應(yīng)用，這些是不錯的選擇。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案，但在電池經(jīng)常耗盡和充電的高消耗應(yīng)用中，成本是合理的，并且很快就會得到回報。

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，但從長遠來看，它是更有效的選擇，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用存儲。

電池充電涉及幾種不同的模式和專家配置文件，具體取決于所使用的化學(xué)物質(zhì)。例如，鋰離子電池的充電曲線如圖 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

圖 3：充電電壓/電流與時間的關(guān)系

當(dāng)電池嚴(yán)重放電時，如圖 2 左側(cè)，充電器需要足夠聰明，使其進入預(yù)充電模式，以便在進入恒流模式之前將電池電壓緩慢升高到安全水平。

在恒流模式下，充電器將設(shè)定的電流推入電池，直到電池電壓上升到設(shè)定的浮動電壓。

編程電流和電壓均由使用的電池類型定義——充電電流受 C 率和所需充電時間的限制，浮動電壓基于對電池安全的情況。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。

當(dāng)達到浮動電壓時，充電電流降至零，并根據(jù)終止算法將該電壓維持一段時間。

圖 3 提供了一個三單元應(yīng)用程序的不同圖表，顯示了隨時間變化的行為。電池電壓顯示為紅色，充電電流顯示為藍色。它以恒定電流模式啟動，最高電流為 2A，直到電池電壓達到 12.6V 恒定電壓閾值。充電器在終止計時器定義的時間長度內(nèi)保持該電壓 - 在本例中為四小時窗口。這個時間在許多充電器部件上是可編程的。

有關(guān)電池充電的更多信息以及一些有趣的產(chǎn)品，請閱讀 Analog Dialogue 文章“適用于任何化學(xué)的簡單電池充電器 IC ”。

圖 4 顯示了一個多功能降壓電池充電器 LTC4162 的示例，該充電器可提供高達 3.2A 的充電電流，適用于各種應(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。它也可用于從太陽能充電。

圖 4：LTC4162，一款 3.2A 降壓電池充電器

能量收集應(yīng)用

在使用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序及其電源時，另一個需要考慮的選擇是能量收集。系統(tǒng)設(shè)計人員有幾個考慮因素，但不能低估免費能源的吸引力，尤其是對于電源要求不是太嚴(yán)格且安裝需要無人干預(yù)的應(yīng)用（即無需維修技術(shù)人員）可以做到。

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、熱電能，甚至射頻能。

圖 5 提供了使用不同采集方法時的近似能量水平。

圖 5：可用于各種應(yīng)用的能源和大致水平

至于缺點，與之前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 Peltier 元件，以及能量轉(zhuǎn)換 IC 和相關(guān)的啟用組件。

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

效率方面，這可能是管理低能量水平的一個棘手問題。這是因為很多電源都是交流電源，所以需要整流。二極管用于執(zhí)行此操作。設(shè)計者必須處理由其固有屬性導(dǎo)致的能量損失。當(dāng)您增加輸入電壓時，這種影響會減輕，但這并不總是可能的。

大多數(shù)能量收集討論中出現(xiàn)的器件來自 ADP509x 系列產(chǎn)品和LTC3108，后者可適應(yīng)多種能量收集源，具有多個電源路徑和可編程充電管理選項，可提供最高的設(shè)計靈活性。多種能源可用于為 ADP509x 供電，也可從該電源提取能量，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)用中的體熱或發(fā)動機熱量中提取熱能，任何東西都可以用來為物聯(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——這是從運行電機中提取能量的好選擇。

圖 6：采集應(yīng)用中的ADP5090框圖

另一個能夠由壓電源供電的器件是 ADP5304，它以非常低的靜態(tài)電流（典型值為 260 nA，無負(fù)載）運行，非常適合低功耗能量收集應(yīng)用。數(shù)據(jù)表共享一個典型的能量收集應(yīng)用電路（參見圖 7），由壓電源供電，用于為 ADC 或 RF IC 供電。

能源管理

與具有有限功率預(yù)算的應(yīng)用相關(guān)的任何討論中的另一個領(lǐng)域是能源管理。在查看不同的電源管理解決方案之前，首先要為應(yīng)用程序開發(fā)電源預(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。這會影響他們選擇一次電池、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節(jié)，這對整體功耗有很大影響。一種常見的技術(shù)是對電源使用進行占空比或延長喚醒設(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，利用每個電子設(shè)備（如果可用）上的待機模式也是一個有用的工具。

圖7：ADP5304壓電源應(yīng)用電路

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。這在物聯(lián)網(wǎng)等功率受限的應(yīng)用中更為重要。在流程的早期制定功率預(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設(shè)備，以應(yīng)對這些應(yīng)用所帶來的挑戰(zhàn)，同時在小解決方案尺寸中實現(xiàn)高能效。

參考

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3 G.墨菲。（2018 年 1 月）?！拔锫?lián)網(wǎng) (IoT)：下一步是什么?！?模擬設(shè)備公司

4 Z.潘特利。（2018 年 9 月）?！耙坏肚械碾姵爻潆娖??！?模擬設(shè)備公司

審核編輯 黃昊宇