物联网在IC电源管理新世界中的最佳应用是什么

本文探讨了物联网 （IoT） 电池技术。它描述了设计人员在供电方面面临的一些问题，并提供了ADI公司的解决方案。这些解决方案非常高效，可以帮助遏制物联网设备中的其他问题，包括尺寸、重量和温度。

随着物联网设备在工业设备、家庭自动化和医疗应用中的使用越来越多，优化这些设备的电源管理部分的压力越来越大——无论是通过更小的外形尺寸、更高的效率、更好的电流消耗还是更快的充电时间（对于便携式物联网设备）。所有这些都必须在小尺寸中实现，既不会对散热产生负面影响，也不会干扰这些设备实现的无线通信。

什么是物联网？

这个特殊的物联网应用领域有许多不同的伪装。它通常是指一种智能的网络连接电子设备，该设备可能是电池供电的，并将预先计算的数据发送到基于云的基础设施。它利用处理器、通信IC和传感器等嵌入式系统的混合来收集、响应数据并将其发送回网络中的中心点或其他节点。这可以是任何东西，从简单的温度传感器报告室温回到中央监控区域，一直到跟踪非常昂贵的工厂设备的长期健康状况的机器健康监视器。

最终，这些设备的开发是为了解决特定的挑战，无论是自动化通常需要人为干预的任务，如家庭或楼宇自动化，还是在工业物联网应用中提高设备的可用性和使用寿命，或者如果您考虑在基于结构的应用（如桥梁）中实现的基于状态的监控应用，甚至可以提高安全性。

应用示例

物联网设备的应用领域几乎是无穷无尽的，每天都在考虑新设备和用例。基于智能变送器的应用程序收集有关其所坐环境的数据，以做出有关控制热量、触发警报或自动化特定任务的决策。此外，燃气表和空气质量测量系统等便携式仪器通过云向控制中心提供准确的测量。GPS跟踪系统是另一种应用。它们允许通过智能耳标跟踪集装箱以及奶牛等牲畜。这些仅包括云连接设备的一小部分。其他领域包括可穿戴医疗保健和基础设施传感应用。

一个重要的增长领域是工业物联网应用，这是第四次工业革命的一部分，智能工厂占据了中心舞台。有各种各样的物联网应用最终试图尽可能多地实现工厂的自动化，无论是通过使用自动导引车（AGV），智能传感器（如RF标签或压力表），还是位于工厂周围的其他环境传感器。

从ADI的角度来看，物联网的高层次关注点主要集中在五个主要领域：

智能健康—支持临床层面和消费类应用的生命体征监测应用。

智能工厂——专注于通过提高工厂的响应速度、灵活性和精简性来构建工业 4.0。

智能建筑/智慧城市 - 使用智能传感进行建筑安全、停车位占用检测以及热和电气控制。

智能农业 - 使用可用的技术实现自动化农业和资源利用效率。

智能基础设施 - 基于我们基于状态的监测技术来监测运动和结构健康状况。

有关这些重点领域以及可用于支持它们的技术的更多信息，请访问 analog.com/IoT。

物联网设计挑战

在不断增长的物联网应用领域中，设计人员面临的主要挑战是什么？这些设备或节点中的大多数都是在事后安装的，或者在难以到达的区域安装，因此不可能为它们供电。这当然意味着它们完全依赖电池和/或能量收集作为电源。

在大型设施周围移动电力可能非常昂贵。例如，考虑为工厂中的远程物联网节点供电。运行新的电源线为该设备供电的想法既昂贵又耗时，这基本上使电池电源或能量收集成为为这些远程节点供电的剩余选项。

对电池电源的依赖需要遵循严格的功率预算，以确保电池的使用寿命最大化，这当然会影响设备的总拥有成本。电池使用的另一个缺点是需要在电池寿命到期后更换电池。这不仅包括电池本身的成本，还包括更换和可能处理旧电池的人力成本。

关于电池成本和尺寸的另一个考虑因素 - 很容易过度设计电池以确保有足够的容量来实现使用寿命要求，通常大于10年。然而，过度设计会导致额外的成本和尺寸，因此不仅要优化功率预算，还要尽可能减少能源使用，以便安装尽可能小的电池，同时仍能满足您的设计要求，这一点非常重要。

物联网中的电源

出于此电源讨论的目的，IoT 应用的电源可被视为三种方案：

依赖不可充电电池电源（主电池）的设备

需要充电电池的设备

利用能量收集来提供系统电源的设备

这些源可以单独使用，也可以组合使用（如果应用程序需要）。

一次电池应用

大家都知道不同的原电池应用，也称为不可充电电池应用。这些面向仅偶尔使用电源的应用，也就是说，设备偶尔通电，然后返回深度睡眠模式，消耗最小的功率。将其用作电源的主要优点是它提供了高能量密度和更简单的设计（因为您不需要容纳电池充电/管理电路）以及更低的成本，因为电池更便宜且需要更少的电子设备。它们非常适合低成本、低功耗应用，但由于这些电池的使用寿命有限，因此它们不太适合功耗稍高的应用，因此这会产生更换电池的成本以及更换电池所需的维修技术人员的成本。

考虑具有许多节点的大型 IoT 安装。由于您有技术人员在现场更换一台设备的电池，因此通常最终会一次性更换所有电池以节省人工成本。当然，这是浪费，只会加剧我们整个全球废物问题。最重要的是，不可充电电池仅提供最初用于制造它们的功率的2%左右。~98%的能源浪费使它们成为非常不经济的电源。

显然，这些在基于物联网的应用程序中确实占有一席之地。其相对较低的初始成本使其成为低功耗应用的理想选择。有不同类型和尺寸的负载可用，并且由于它们不需要太多额外的电子设备进行充电或管理，因此它们是一个简单的解决方案。

从设计的角度来看，关键的挑战是充分利用这些小电源提供的能量。为此，需要花费大量时间制定功率预算计划，以确保电池的使用寿命最大化，10 年是常见的寿命目标。

对于原电池应用，我们毫微功耗产品系列中的两款器件值得考虑：LTC3337毫微功耗库仑计数器和LTC3336毫微功耗降压稳压器，如图1所示。

图1.LTC3337和LTC3336应用电路。

LTC®3336是一款低功耗DC-DC转换器，采用高达15 V的输入供电，具有可编程峰值输出电流水平。输入电压可低至2.5 V，非常适合电池供电应用。

静态电流极低，为65 nA，空载调节时。随着DC-DC转换器的发展，这很容易在新设计中进行设置和使用。输出电压根据 OUT0 至 OUT3 引脚的搭接方式进行编程。

LTC3336 的配套器件是 LTC3337，它是一款毫微功率原电池健康状态监视器和库仑计数器。这是新设计中另一种易于使用的器件——只需根据所需的峰值电流（5 mA 至 100 mA 区域）连接 IPK 引脚即可。根据所选电池运行一些计算，然后根据所选峰值电流填充推荐的输出电容，详见数据手册。

最终，这是一对出色的设备组合，适用于功率预算有限的物联网应用。这些器件既可以精确监控原电池的能量使用情况，又可以有效地将输出转换为可用的系统电压。

可充电电池应用

让我们继续讨论可充电应用程序。对于无法选择主电池更换频率的更高功率或更高漏极的物联网应用来说，这些是一个不错的选择。由于电池和充电电路的初始成本，可充电电池应用是一种成本较高的实施方式，但在电池耗尽并频繁充电的高耗电应用中，成本是合理的，很快就会收回。

根据所使用的化学成分，可充电电池应用的初始能量可能低于原电池，但从长远来看，它是更有效的选择，并且总体而言，浪费更少。根据电力需求，另一种选择是电容器或超级电容器存储，但这些更多用于短期备份存储。

电池充电涉及几种不同的模式和专业配置文件，具体取决于所使用的化学成分。例如，锂离子电池充电曲线如图2所示。底部是电池电压，充电电流在垂直轴上。

图2.充电电流与电池电压的关系。

当电池严重放电时，如图2左侧所示，充电器需要足够聪明地将其置于预充电模式，以便在进入恒流模式之前将电池电压缓慢增加到安全水平。

在恒流模式下，充电器将编程电流推入电池，直到电池电压上升到编程浮动电压。

编程电流和电压均由所使用的电池类型定义 - 充电电流受 C 速率和所需充电时间的限制，浮动电压基于电池的安全值。如果系统需要，系统设计人员可以稍微降低浮动电压，以帮助延长电池的使用寿命——就像所有有电源的东西一样，这一切都需要权衡取舍。

当达到浮动电压时，可以看到充电电流降至零，并且根据终止算法保持该电压一段时间。

图 3 为一个 3 单元应用提供了不同的图表，显示了一段时间内的行为。电池电压以红色显示，充电电流以蓝色显示。它以恒流模式启动，最高电流为2 A，直到电池电压达到12.6 V恒压阈值。充电器在终止定时器定义的时间内保持此电压，在本例中为 4 小时窗口。该时间可在许多充电器部件上编程。

图3.充电电压/电流与时间的关系。

有关电池充电的更多信息以及一些有趣的产品，我推荐《模拟对话》文章“适用于任何化学的简单电池充电器IC”。

图4显示了多功能降压电池充电器LTC4162的一个很好的例子，它可以提供高达3.2 A的充电电流，适合各种应用，包括便携式仪器和需要更大电池或多节电池的应用。它也可以用来从太阳能充电。

图4.LTC4162是一款3.2 A降压型电池充电器。

能量收集应用

在使用物联网应用及其电源时，要考虑的另一个选择是能量收集。当然，系统设计人员有几个考虑因素，但自由能源的吸引力不容低估，特别是对于电源要求不太重要且需要放手安装的应用，也就是说，没有服务技术人员可以到达它。

有许多不同的能源可供选择，它们不需要是户外应用来利用它们。可以收集太阳能以及压电或振动能量，热电能量，甚至RF能量（尽管其功率水平非常低）。

图5提供了使用不同收获方法时的近似能量水平。

图5.可用于各种应用的能源和近似水平。

至于缺点，与前面讨论的其他电源相比，初始成本更高，因为您需要收集元件，例如太阳能电池板、压电接收器或珀尔帖元件，以及能量转换 IC 和相关使能组件。

另一个缺点是整体解决方案尺寸，特别是与纽扣电池等电源相比。使用能量收集器和转换IC很难实现小尺寸的解决方案。

效率方面，这可能是一个棘手的管理低能量水平的问题。这是因为许多电源是交流电，因此需要整流。二极管用于执行此操作。设计人员必须处理由其固有特性引起的能量损失。随着输入电压的增加，其影响会减小，但这并不总是可能的。

在大多数能量收集讨论中弹出的器件来自ADP509x系列产品和LTC3108，它们可以通过多条电源路径和可编程充电管理选项来适应各种能量收集源，从而提供最高的设计灵活性。多种能源可用于为ADP509x供电，但也可用于从该电源中提取能量，为电池充电或为系统负载供电。从太阳能（室内和室外）到热电发电机，从可穿戴应用中的体温或发动机热量中提取热能的任何东西都可用于为物联网节点供电。另一种选择是从压电源收集能量，这增加了另一层灵活性——例如，这是从运行电机中提取电力的不错选择。

图6.ADP5090在收获应用中的框图。

另一款能够由压电电源供电的器件是ADP5304，其静态电流非常低（空载时典型值为260 nA），非常适合低功耗能量收集应用。数据手册共享一个典型的能量收集应用电路（见图7），该电路由压电电源供电，用于为ADC或RF IC供电。

图7.ADP5304压电源应用电路

能源管理

与功率预算有限的应用相关的任何讨论中应包含的另一个领域是能源管理。首先，在查看不同的电源管理解决方案之前，为应用开发功率预算计算。这一重要步骤有助于系统设计人员了解系统中使用的关键组件以及它们需要多少能量。这会影响他们选择原电池、可充电电池、能量收集或这些组合作为电源方法的决定。

物联网设备收集信号并将其发送回中央系统或云的频率是查看能源管理时的另一个重要细节，这对整体功耗有很大影响。一种常见的技术是占空比电源使用或延长唤醒设备以收集和/或发送数据之间的时间。

在尝试管理系统能源使用时，在每个电子设备（如果可用）上使用待机模式也是一个有用的工具。

结论

与所有电子应用一样，尽早考虑电路的电源管理部分非常重要。这在物联网等功耗受限的应用中更为重要。在流程早期制定功率预算可以帮助系统设计人员确定最有效的路径和合适的器件，以应对这些应用带来的挑战，同时仍以较小的解决方案尺寸实现高能效。

审核编辑：郭婷