【導(dǎo)讀】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。基于智能發(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(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圍的其他環(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電池和/或能量收集方式供電。
在大型工廠周圍傳輸電力可能成本高昂。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。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
依然缺貨,銷售額飆升:汽車MCU的市場(chǎng)走勢(shì),你看懂了嗎?
如何設(shè)計(jì)可靠性更高、尺寸更小、成本更低的高電壓系統(tǒng)解決方案