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

本文探討了物聯(lián)網(wǎng)電池技術(shù)。它描述了設(shè)計(jì)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，可以幫助解決物聯(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(dòng)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——要么通過減小尺寸、提高效率、改善電流消耗，要么加快充電時(shí)間。所有這些都必須以小尺寸的形式實(shí)現(xiàn)，既不會(huì)對(duì)散熱產(chǎn)生負(fù)面影響，也不會(huì)干擾這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)的無線通信。

什么是物聯(lián)網(wǎng)？

這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域有許多不同的形式。它通常指的是一種智能的、聯(lián)網(wǎng)的電子設(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)的組合來收集、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(diǎn)或其他節(jié)點(diǎn)。這可以是任何東西，從室溫的簡(jiǎn)單溫度傳感器到中央監(jiān)控區(qū)域一直到跟蹤非常昂貴的工廠設(shè)備的長(zhǎng)期性能數(shù)據(jù)的機(jī)器健康監(jiān)視器。

終，開發(fā)這些設(shè)備是為了解決特定的挑戰(zhàn)，無論是自動(dòng)化通常需要人工干預(yù)的任務(wù)，如家庭或樓宇自動(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(shí)施基于狀態(tài)的監(jiān)控應(yīng)用程序，甚至可以提高安全性。

示例應(yīng)用程序

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎是無窮無盡的。基于智能發(fā)射器的應(yīng)用程序收集有關(guān)它們所在環(huán)境的數(shù)據(jù)，以做出有關(guān)控制熱量、觸發(fā)警報(bào)或自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)的決策。此外，燃?xì)獗砗涂諝赓|(zhì)量測(cè)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(cè)量結(jié)果。GPS 跟蹤系統(tǒng)是另一種應(yīng)用。它們?cè)试S通過智能耳標(biāo)跟蹤集裝箱和牲畜。這些只是云連接設(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(gè)重要的增長(zhǎng)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。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍廣泛，終都在嘗試盡可能多地實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化，無論是通過使用自動(dòng)導(dǎo)引車、射頻標(biāo)簽或壓力計(jì)等智能傳感器，還是放置在工廠周圍的其他環(huán)境傳感器。工廠。

從 ADI 的角度來看，物聯(lián)網(wǎng)的重點(diǎn)在五個(gè)主要領(lǐng)域：

智能健康：支持臨床層面和消費(fèi)者應(yīng)用的生命體征監(jiān)測(cè)應(yīng)用

智能工廠：通過使工廠響應(yīng)更快、更靈活、更精簡(jiǎn)，專注于構(gòu)建工業(yè) 4.0

智能建筑/智能城市：使用智能傳感實(shí)現(xiàn)建筑安全、停車位占用檢測(cè)以及熱電控制

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)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(cè)技術(shù)來監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)健康

有關(guān)這些重點(diǎn)領(lǐng)域和支持它們的可用技術(shù)的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問analog.com/IoT。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在不斷增長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計(jì)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(diǎn)都是事后安裝或安裝在難以到達(dá)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(dòng)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(diǎn)供電。運(yùn)行新電源線為該設(shè)備供電的想法既昂貴又耗時(shí)，這基本上使電池供電或能量收集成為為這些遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)供電的剩余選項(xiàng)。

對(duì)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化，這當(dāng)然會(huì)對(duì)設(shè)備的總擁有成本產(chǎn)生影響。使用電池的另一個(gè)缺點(diǎn)是在電池壽命到期后需要更換電池。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力成本。

關(guān)于電池成本和尺寸的額外考慮因素：很容易過度設(shè)計(jì)電池以確保有足夠的容量來達(dá)到通常超過 10 年的使用壽命要求。然而，過度設(shè)計(jì)會(huì)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(jì)要求的盡可能小的電池，這一點(diǎn)非常重要。

物聯(lián)網(wǎng)的力量

出于本次電源討論的目的，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的電源可分為三種情況：

依賴不可充電電池供電的設(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(dú)使用或組合使用。

原電池應(yīng)用

不可充電電池應(yīng)用適用于僅偶爾使用電源的應(yīng)用——也就是說，設(shè)備偶爾會(huì)在返回深度睡眠模式之前通電，在該模式下它消耗的電量少。使用它作為電源的主要優(yōu)點(diǎn)是它提供高能量密度和更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，因?yàn)槟恍枰菁{電池充電/管理電路，以及更低的成本，因?yàn)殡姵馗阋饲倚枰俚?a target="_blank">電子產(chǎn)品。它們非常適合低成本、低功耗應(yīng)用。但是，由于電池的使用壽命有限，因此不太適合功耗稍高的應(yīng)用。

考慮具有許多節(jié)點(diǎn)的大型 IoT 安裝。由于您有一名技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)為一臺(tái)設(shè)備更換電池，因此通常會(huì)更換所有電池以節(jié)省人工成本。當(dāng)然，這是一種浪費(fèi)，只會(huì)加劇浪費(fèi)問題。重要的是，不可充電電池僅提供初制造它們所用電量的 2% 左右。約 98% 的能源浪費(fèi)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(shí)占有一席之地。它們相對(duì)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，并且由于它們不需要太多額外的電子設(shè)備來進(jìn)行充電或管理，因此它們是一種簡(jiǎn)單的解決方案。

從設(shè)計(jì)的角度來看，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是充分利用這些電源提供的能量。為此，制定功率預(yù)算計(jì)劃以確保電池壽命化非常重要，10 年是常見的壽命目標(biāo)。

對(duì)于原電池應(yīng)用，ADI 毫微功耗系列產(chǎn)品中的兩個(gè)部分值得考慮：LTC3337 毫微功耗庫侖計(jì)數(shù)器和 LTC3336 毫微功耗降壓穩(wěn)壓器，如圖 1 所示。

LTC3336 是一款低功率 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，輸入電壓高達(dá) 15V，具有可編程峰值輸出電流電平。輸入電壓可低至 2.5 V，非常適合電池供電應(yīng)用。

在無負(fù)載情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，靜態(tài)電流極低，僅為 65nA。隨著 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的發(fā)展，這很容易在新設(shè)計(jì)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(jìn)行編程。

LTC3336 的配套器件是 LTC3337，這是一款納瓦級(jí)原電池健康狀態(tài)監(jiān)視器和庫侖計(jì)數(shù)器。這是另一種易于在新設(shè)計(jì)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(yùn)行一些計(jì)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。

終，這是一對(duì)適用于功率預(yù)算有限的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)備。這些部件既可以準(zhǔn)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。

圖 1：LTC3337 和 LTC3336 應(yīng)用電路

充電電池應(yīng)用

讓我們繼續(xù)討論可充電應(yīng)用。對(duì)于無法選擇電池更換頻率的更高功率或更高耗電的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，這些是不錯(cuò)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(shí)施方案，但在電池經(jīng)常耗盡和充電的高耗電應(yīng)用中，成本是合理的并且很快就能收回成本。

根據(jù)所使用的化學(xué)物質(zhì)，可充電電池應(yīng)用的初始能量可能低于原電池，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，它是更高效的選擇，總體上浪費(fèi)更少。根據(jù)電力需求，另一種選擇是電容器或超級(jí)電容器存儲(chǔ)，但這些更適合短期備用存儲(chǔ)。

電池充電涉及多種不同的模式和配置文件，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(shí)間的關(guān)系

當(dāng)電池嚴(yán)重放電時(shí)，如圖 2 左側(cè)所示，充電器需要足夠聰明，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升高至安全水平。

在恒流模式下，充電器將設(shè)定的電流推入電池，直到電池電壓升至設(shè)定的浮動(dòng)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 倍率和所需充電時(shí)間的限制，浮動(dòng)電壓基于對(duì)電池安全的電壓。如果系統(tǒng)需要，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以稍微降低浮動(dòng)電壓以幫助延長(zhǎng)電池壽命。

當(dāng)達(dá)到浮動(dòng)電壓時(shí)，充電電流降至零，并且該電壓會(huì)根據(jù)終止算法維持一段時(shí)間。

圖 3 為三單元應(yīng)用程序提供了不同的圖表，顯示了隨時(shí)間變化的行為。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(dòng)，電流為 2 A，直到電池電壓達(dá)到 12.6 V 恒壓閾值。充電器在終止計(jì)時(shí)器定義的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)保持此電壓——在本例中為四小時(shí)窗口。這個(gè)時(shí)間在許多充電器部件上是可編程的。

有關(guān)電池充電以及一些有趣產(chǎn)品的更多信息，請(qǐng)閱讀模擬對(duì)話文章“適用于任何化學(xué)物質(zhì)的簡(jiǎn)單電池充電器 IC ”。

圖 4 顯示了多功能降壓電池充電器 LTC4162 的示例，它可以提供高達(dá) 3.2 A 的充電電流，適用于一系列應(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。它還可以用于從太陽能充電。

圖 4：LTC4162，一款 3.2A 降壓電池充電器

能量收集應(yīng)用

在使用 IoT 應(yīng)用程序及其電源時(shí)，另一個(gè)需要考慮的選項(xiàng)是能量收集。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有幾個(gè)考慮因素，但不能低估自由能源的吸引力，特別是對(duì)于功率要求不是太苛刻且安裝需要不干涉的應(yīng)用——即沒有服務(wù)技術(shù)人員可以得到它。

有許多不同的能源可供選擇，而且它們不需要是戶外應(yīng)用來利用它們?？梢允占柲芤约皦弘娀蛘駝?dòng)能、熱電能，甚至射頻能。

圖 5 提供了使用不同收集方法時(shí)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(diǎn)，與之前討論的其他電源相比，初始成本更高，因?yàn)槟枰占?，例如太陽能電池板、壓電接收器或珀耳帖元件，以及能量轉(zhuǎn)換 IC 和相關(guān)的啟用組件。

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

在效率方面，這可能是管理低能量水平的一個(gè)棘手問題。這是因?yàn)楹芏嚯娫炊际墙涣麟?，所以需要整流?a target="_blank">二極管用于執(zhí)行此操作。設(shè)計(jì)人員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(shí)，這種影響會(huì)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，LTC3108可容納范圍廣泛的能量收集源，具有多個(gè)電源路徑和可編程充電管理選項(xiàng)，可提供的設(shè)計(jì)靈活性。多種能源可用于為 ADP509x 供電，也可從該電源提取能量以為電池充電或?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)用中的體熱或發(fā)動(dòng)機(jī)熱量中提取熱能的任何東西都可以用來為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供電。另一種選擇是從壓電源獲取能量，這增加了另一層靈活性——這是從運(yùn)行中的電機(jī)中提取能量的不錯(cuò)選擇。

圖 6：采集應(yīng)用中的ADP5090框圖

另一種能夠由壓電電源供電的器件是 ADP5304，它以極低的靜態(tài)電流（無負(fù)載時(shí)典型值為 260 nA）工作，非常適合低功耗能量收集應(yīng)用。該數(shù)據(jù)表共享一個(gè)典型的能量收集應(yīng)用電路（見圖 7），由壓電電源供電并用于為 ADC 或 RF IC 供電。

能源管理

與功率預(yù)算有限的應(yīng)用相關(guān)的任何討論都應(yīng)該包括的另一個(gè)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)用開發(fā)功率預(yù)算計(jì)算。這一重要步驟可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)影響他們選擇電池、可充電電池、能量收集或這些的組合作為電源方法的決定。

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)或云端的頻率是能源管理的另一個(gè)重要細(xì)節(jié)，它對(duì)整體功耗有很大影響。一種常見的技術(shù)是對(duì)電源使用進(jìn)行占空比或延長(zhǎng)喚醒設(shè)備以收集和/或發(fā)送數(shù)據(jù)之間的時(shí)間。

在嘗試管理系統(tǒng)能源使用時(shí)，在每個(gè)電子設(shè)備上使用待機(jī)模式（如果可用）也是一個(gè)有用的工具。

圖 7：ADP5304 壓電源應(yīng)用電路

結(jié)論

對(duì)于所有電子應(yīng)用，盡早考慮電路的電源管理部分很重要。這在物聯(lián)網(wǎng)等功耗受限的應(yīng)用中更為重要。在此過程的早期制定功率預(yù)算可以幫助系統(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)用帶來的挑戰(zhàn)，同時(shí)仍然以較小的解決方案尺寸實(shí)現(xiàn)高能效。