在物聯(lián)網設計中應用電源管理解決方案

本文探討物聯(lián)網電池技術。它描述了設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 設備中的其他問題，包括尺寸、重量和溫度。

隨著物聯(lián)網設備在工業(yè)設備、家庭自動化和醫(yī)療應用中的使用越來越多，優(yōu)化這些設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生負面影響或干擾這些設備實現(xiàn)的無線通信的小型尺寸中實現(xiàn)。

什么是物聯(lián)網？

這個物聯(lián)網應用領域有許多不同的偽裝。它通常是指一種智能的、聯(lián)網的電子設備，它可能由電池供電，并將預先計算的數據發(fā)送到基于云的基礎設施。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、響應數據并將數據發(fā)送回網絡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備的長期性能數據的機器健康監(jiān)視器。

最終，這些設備的開發(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的任務，如家庭或樓宇自動化，還是在工業(yè)物聯(lián)網應用中提高設備的可用性和使用壽命，或者如果您考慮在基于結構的應用程序（例如橋梁）中實施的基于狀態(tài)的監(jiān)控應用程序，甚至可以提高安全性。

示例應用

物聯(lián)網設備的應用領域幾乎是無窮無盡的。基于智能變送器的應用程序收集有關它們所處環(huán)境的數據，以做出關于控制熱量、觸發(fā)警報或自動化任務的決策。此外，燃氣表和空氣質量測量系統(tǒng)等便攜式儀器可通過云向控制中心提供準確的測量結果。GPS跟蹤系統(tǒng)是另一種應用。它們允許通過智能耳標跟蹤集裝箱和牲畜。這些僅包括一小部分云連接設備。其他領域包括可穿戴醫(yī)療保健和基礎設施傳感應用。

一個重要的增長領域是工業(yè)物聯(lián)網應用，它是第四次工業(yè)革命的一部分。有廣泛的物聯(lián)網應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引車、射頻標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)網的高層次重點集中在五個主要領域：

智能健康：支持臨床和消費者應用的生命體征監(jiān)測應用

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

智能農業(yè)：利用現(xiàn)有技術實現(xiàn)自動化農業(yè)和資源利用效率

智能基礎設施：基于我們基于狀態(tài)的監(jiān)測技術來監(jiān)測運動和結構健康

有關這些重點領域以及可用于支持它們的技術的更多信息，請訪問analog.com/IoT。

物聯(lián)網設計挑戰(zhàn)

在不斷增長的物聯(lián)網應用領域，設計師面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？大多數這些設備或節(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格的功率預算，以確保電池的使用壽命最大化，這當然會影響設備的總擁有成本。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，過度設計會導致額外的成本和尺寸，因此不僅要優(yōu)化功率預算，還要盡可能減少能源使用，以安裝仍能滿足您的設計要求的盡可能小的電池。

物聯(lián)網中的力量

出于本次電源討論的目的，物聯(lián)網應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備（原電池）

需要充電電池的設備

利用能量收集來提供系統(tǒng)電源的設備

如果應用程序需要，這些源可以單獨使用或組合使用。

原電池應用

不可充電電池應用面向僅偶爾使用電源的應用，也就是說，設備偶爾會通電，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備。它們非常適合低成本、低功耗的應用。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用。

考慮具有許多節(jié)點的大型 IoT 安裝。由于您有技術人員在現(xiàn)場為一臺設備更換電池，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濟的能源。

顯然，這些確實在基于物聯(lián)網的應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。

從設計的角度來看，關鍵挑戰(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。

對于一次電池應用，ADI 毫微功率系列產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 轉換器，可在高達 15V 的輸入范圍內運行，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用。

在無負載調節(jié)時，靜態(tài)電流極低，僅為 65 nA。隨著 DC-DC 轉換器的發(fā)展，這很容易在新設計中設置和使用。輸出電壓根據 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)視器和庫侖計數器。這是另一種易于在新設計中使用的器件 — 只需根據所需的峰值電流（在 5-mA 至 100-mA 范圍內）連接 IPK 引腳即可。根據您選擇的電池運行一些計算，然后根據數據表中注明的所選峰值電流填充推薦的輸出上限。

歸根結底，這是物聯(lián)網應用設備的絕佳配對，功率預算有限。這些部件既可以準確監(jiān)控原電池的能源使用情況，又可以有效地將輸出轉換為可用的系統(tǒng)電壓。

圖 1：LTC3337 和 LTC3336 應用電路

可充電電池應用

讓我們繼續(xù)討論可充電應用。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，可充電電池應用是一種成本較高的實施方案，但在電池經常耗盡和充電的高消耗應用中，成本是合理的，并且很快就會得到回報。

根據所使用的化學成分，可充電電池應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物質。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/電流與時間的關系

當電池嚴重放電時，如圖 2 左側，充電器需要足夠聰明，使其進入預充電模式，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，充電器將設定的電流推入電池，直到電池電壓上升到設定的浮動電壓。

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。

當達到浮動電壓時，充電電流降至零，并根據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。

有關電池充電的更多信息以及一些有趣的產品，請閱讀 Analog Dialogue 文章“適用于任何化學的簡單電池充電器 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，適用于各種應用，包括便攜式儀器和需要更大電池或多節(jié)電池的應用。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

能量收集應用

在使用物聯(lián)網應用程序及其電源時，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格且安裝需要無人干預的應用（即無需維修技術人員）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，以及能量轉換 IC 和相關的啟用組件。

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。設計者必須處理由其固有屬性導致的能量損失。當您增加輸入電壓時，這種影響會減輕，但這并不總是可能的。

大多數能量收集討論中出現(xiàn)的器件來自 ADP509x 系列產品和LTC3108，后者可適應多種能量收集源，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)負載供電。從太陽能（室內和室外）到熱電發(fā)電機，從可穿戴應用中的體熱或發(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，無負載）運行，非常適合低功耗能量收集應用。數據表共享一個典型的能量收集應用電路（參見圖 7），由壓電源供電，用于為 ADC 或 RF IC 供電。

能源管理

與具有有限功率預算的應用相關的任何討論中的另一個領域是能源管理。在查看不同的電源管理解決方案之前，首先要為應用程序開發(fā)電源預算計算。這一重要步驟有助于系統(tǒng)設計人員了解系統(tǒng)中使用的關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)網設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。一種常見的技術是對電源使用進行占空比或延長喚醒設備以收集和/或發(fā)送數據之間的時間。

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壓電源應用電路

結論

與所有電子應用一樣，盡早考慮電路的電源管理部分很重要。這在物聯(lián)網等功率受限的應用中更為重要。在流程的早期制定功率預算可以幫助系統(tǒng)設計人員確定最有效的路徑和合適的設備，以應對這些應用所帶來的挑戰(zhàn)，同時在小解決方案尺寸中實現(xiàn)高能效。

參考

1 F. Dostal。（2015 年 9 月）。“能量收集功率轉換的新進展。” 模擬對話，卷。49，第 3 號。

2 S.諾斯。（2019 年 1 月）?！斑m用于任何化學物質的簡單電池充電器 IC。” 模擬對話，卷。53，第 1 號。

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

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

審核編輯 黃昊宇