AIoT電源技術解析

AIoT 即人工智能 (AI) 與物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的結合，是電子行業(yè)非常具有前景的新技術之一。據(jù)某 IC 制造商預測，未來十年內，該技術將成為微處理器市場中最大的細分市場。

IPv6（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本 6）的逐步普及將為物聯(lián)網(wǎng)設備開辟出難以想象的巨大地址空間，地址的數(shù)量甚至足以為地球上的每一粒沙子分配多個不同的地址，這意味著物聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量在實際應用中將不再受到任何限制。隨著智慧城市、智能工業(yè)、智能交通和智能家居等新概念的應用，將有數(shù)十億臺物聯(lián)網(wǎng)設備連入網(wǎng)絡。然而，問題也將隨之出現(xiàn)。十億臺設備同樣令人難以想象。一百萬秒相當于 12 天，但十億秒則相當于 31 年。想象一下，如果有數(shù)十億臺傳感器在傳輸數(shù)據(jù)或請求指令會是什么景象。龐大的信息流量會使任何遠程數(shù)據(jù)服務器或 SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)不堪重負。

此時就需要 AI 發(fā)揮作用。AIoT 的目標很簡單，就是讓大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)變得易于管理。智能的自組織系統(tǒng)可形成本地處理循環(huán)，其中，無需高層級干預即可收集和分析來自多臺傳感器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)采取行動（圖 1）。

圖 1：AIoT 概念示意圖

數(shù)據(jù)的收集和傳輸由物聯(lián)網(wǎng)完成，而對數(shù)據(jù)的分析或“洞察”則由機器學習或 AI 系統(tǒng)完成。機器學習或 AI 系統(tǒng)可以獨立進行模式識別，做出預測并采取適當?shù)男袆印?/p>

AIoT具有諸多優(yōu)勢，如提高可擴展性和減少數(shù)據(jù)通信量（可以添加更多的傳感器而不會使系統(tǒng)超負荷）、通過“邊緣計算”實現(xiàn)實時模式識別（繁重的“大量數(shù)字運算”工作在傳感器網(wǎng)絡的“邊緣”本地完成，只有結果和系統(tǒng)概覽數(shù)據(jù)集需要通過網(wǎng)關進行傳輸）、縮短反應時間（幾分之一秒而不是幾秒）和大大提高容錯性（機器學習可以識別哪些數(shù)據(jù)錯誤或丟失，并使用物聯(lián)網(wǎng)本身的故障檢測協(xié)議來繞過有問題的節(jié)點）等，最重要的一點是，可以減少人為錯誤。

這些優(yōu)勢將推動許多“智能”系統(tǒng)全面創(chuàng)新，從持續(xù)監(jiān)測和分析實時交通流數(shù)據(jù)來識別事故、讓應急車輛優(yōu)先通行并優(yōu)化公共交通的智能城市，可以優(yōu)化電網(wǎng)平衡、負荷分擔以及將可再生能源和儲能系統(tǒng)集成到系統(tǒng)中的智能電網(wǎng)，到使用可穿戴設備監(jiān)測和預測醫(yī)療緊急情況的智能醫(yī)療，再到實現(xiàn)有效的及時供應鏈管理、優(yōu)化的生產(chǎn)線和基于狀態(tài)的維護等的智能工業(yè)等等，都會實現(xiàn)創(chuàng)新。

與所有復雜的交互式大規(guī)模系統(tǒng)相同，操作可靠性變得至關重要。機器學習分析和本身具有容錯能力的物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡對 AIoT 技術至關重要，但電子設備的可靠供電也不容忽視。

有人認為，物聯(lián)網(wǎng)傳感器和執(zhí)行器可以通過長壽命電池或能量收集系統(tǒng)供電。他們認為，可以從太陽能電池、熱電發(fā)電機TEG 或振動傳感器中獲取充足的能量來為超級電容器充電或直接為物聯(lián)網(wǎng)應答器供電。然而，根據(jù)多次設計和研究能量收集項目的經(jīng)驗，我認為這種想法不切實際。環(huán)境中并不存在足夠可靠的能量供人們收集，來為大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)傳感器和執(zhí)行器供電。至于使用電池，同樣行不通。保守假設，如果有 100 萬臺物聯(lián)網(wǎng)傳感器，使用壽命為 10 年的電池時，每天需要更換 275 個電池，換句話說，大約每兩分鐘就需要更換一次電池才能保證正常工作。 AC/DC電源單元不僅是傳感器、執(zhí)行器、處理器和網(wǎng)關的可靠電源，添加數(shù)字通信接口后，它還將成為整個 AIoT 系統(tǒng)的關鍵組件。幸運的是，目前已經(jīng)存在一種成功且經(jīng)過驗證的數(shù)字電源通信和控制系統(tǒng)架構，即電源管理總線 (PMBus)。PMBus 是應用廣泛的 I2C（互聯(lián)集成電路）協(xié)議的擴展，后者主要用于數(shù)字 IC 之間的板載通信。與 I2C 類似，PMBus 也是 2 線制串行接口，只需傳輸數(shù)據(jù) (SDA) 和時鐘 (SCL) 信號，因此成本較低且易于實現(xiàn)，這是實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的一個重要因素。同時，該協(xié)議還具有一些附加命令，專門設計用于電源監(jiān)測和控制，以及執(zhí)行 PEC（數(shù)據(jù)包錯誤檢查）以確認數(shù)據(jù)傳輸未被損壞。

PMBus協(xié)議非常適用于 AIoT 應用，原因在于，PMBus 不僅可以遠程開關數(shù)字電源或將其置于待機狀態(tài)以實現(xiàn)節(jié)能，還提供附加命令集來遠程調節(jié)輸出電壓、設置電流和功耗限值、監(jiān)測交流輸入線路和電源溫度，以及查詢內部存儲器來獲取當前和之前的錯誤代碼和庫存信息。如與機器學習算法相結合，支持 PMBus 的電源在整個 AIoT 系統(tǒng)中將發(fā)揮重要作用，可提供有用的監(jiān)測和報警數(shù)據(jù)（圖 2）。

圖 2：RACM1200-V 電源監(jiān)測信號和時序

PMBus協(xié)議有許多非常強大的功能，其中之一是具有快速配置命令。舉例來說，在電源從恒壓模式切換到恒流或恒功耗模式之前的負載限值可以通過外部命令設置或強制更改。例如，如果機器學習 AI 算法預測即將出現(xiàn)負載峰值，可以對電源進行預先設置，以便更好地處理臨時過載，而無需將其關閉。通常，智能風扇功能是指電源本身能夠控制風扇轉速，在負載或溫度較低時可以將風扇關閉，從而節(jié)省能源、降低噪音以及延長風扇的使用壽命，在負載增加時也可以逐漸提高風扇轉速。

如果 AI 識別出某種負載模式，以電池充電站為例，如果定期使用且在兩次滿負載充電之間只間隔很短的時間，AI 會在不工作時段關閉風扇，以保持較高的溫度并減少電源中的熱循環(huán)。相較于因反復升溫和降溫而引起的連續(xù)熱循環(huán)，穩(wěn)定保持在較高工作溫度時，對電源中的電子組件產(chǎn)生的應力通常較小。

如前文所述，PMBus 由 I2C 總線擴展而來，這就引入了一個重大缺陷。控制器只會將信號線拉低，以便電源可以選擇將時鐘線或數(shù)據(jù)線拉低來獲得總線的控制權，從而將信息發(fā)送回控制器。這意味著，在無任何單元均處于活動狀態(tài)時，PMBus 需要依靠上拉電阻來將串行信號線拉高（圖 3）。雖然 PMBus 協(xié)議支持在一條控制線上有多達 127 個獨立地址，但如果將這么多的設備連接到同一條總線上，總線的組合電容會減慢信號的上升時間，導致其無效。

圖 3：PMBus 信號

每條線都只能被拉低，從而需要依靠上拉電阻將信號線上拉回至 VDD。隨著總線電容增加，信號上升時間會延長。

如有更多支持 PMBus 的電源要共用一條總線，則需要將這些電源分組，比如將 16 個智能電源分為一組，它們通過低成本的 PMBus 中繼器 IC 進行通信。這些緩沖器 IC 具有約 6 pF 的極低輸入電容，因此有助于充分利用 PMBus 的整個地址空間而不會導致總線過載，即使電纜長度較長也是如此。它們可以由目標電源的一個“始終有效”輸出供電，該輸出屬于低功耗 5V 輸出，即使在市電電源級斷電時也能保持有效（圖 4）。該“始終有效”的輸出還可以提供充足的電流來為其他設備供電，例如，為長距離 (LoRa) 收發(fā)器電路供電，從而在數(shù)千米范圍內實現(xiàn)遠程控制，即使在建筑密集的市中心區(qū)域或在嘈雜的工業(yè)工廠中也能實現(xiàn)。

圖 4：PMBus 中繼器 IC 由“始終有效”的 5V 輔助輸出供電

支持總線管理功能的電源具有接口連接器以及市電電源 DC 輸出端子（圖 5）。數(shù)字接口的優(yōu)勢在于可以提供更全面的警報、故障和報警指示信號，以輔助 AI 在決策過程中做出判斷。例如，RACM1200-V 內置多色狀態(tài) LED 燈，可以指示交流輸入故障、直流輸出偏低、即將出現(xiàn)過熱、因過溫關閉、過載和直流故障狀態(tài)，但數(shù)字總線接口還增加了與輸出電壓范圍、負載電流監(jiān)測和過載狀態(tài)相關的可編程預警限值，這使得 AI 系統(tǒng)有充足的時間來應對極端溫度或故障狀態(tài)，便于電源進入關閉狀態(tài)來實現(xiàn)自我保護。

綜上所述，AIoT 是一種令人期待的新型支撐技術，在未來十年中，該技術將為我們帶來諸多益處，在不知不覺中以各種方式改善我們的生活。作為全球領先的 AC/DC 和 DC/DC 轉換器制造商之一，RECOM 已經(jīng)開始推動這一創(chuàng)新技術的應用，著手設計和制造帶有數(shù)字 PMBus 接口的電源，以便將其無縫集成到 AIoT 系統(tǒng)中。

審核編輯：湯梓紅