浅谈物联网应用的智能电源管理

物联网 （IoT） 是当今与所有事物都相关的流行词——从用于预防性维护的状态监控系统到用于跟踪资产的智能、自供电标签，几乎涵盖了所有商业和工业中使用的小型器件。本文通过专业的阐述和应用解析，从电源的角度出发，帮助理解如何在不同级别的应用中，用以电源为中心的思维方式获得层级式解决方案。

物联网 （IoT） 可以代表很多事物。例如对某些人来说，是蓝牙 低功耗 （BLE）设备，可以让智能手机进行通信甚至控制任何现代电子设备。对其他人来说，IoT代表传感器无处不在，从用于跟踪的高价值资产、设备预防性维护的环境监测（更常称为工业物联网或 IIoT），到可穿戴的医疗设备/植入物，传感器会将数据发送到云端进行大数据分析。　

2006年英国数学家 Clive Humby的名言暗示了这种使用海量数据分析所建立的行业，他说：「数据是新的石油。」 或许对于许多人来说，IoT只是为烤面包机或窗帘增加了一个「智能」名称，然而不清楚这对今天和明天的技术来说究竟意味着什么。

从电源角度看

IoT的意思是使用电池的低功耗系统以及系统的整合，特别是在远程监控、电动/自动驾驶汽车 （EV/AV） 、航空/军事应用和其他陆上大型运输（即铁路）。以电源的角度来看，它可能是无所不在的无线传感器网络（WSN），这些网络嵌在无法访问、非常昂贵或危险的环境中（如深油井、永久嵌入建筑物或风力发电机的涡轮叶片）。

这也代表以前无法实现的遥测、控制和预防性维护措施将有机会得到实现。正如这些不同的系统和应用所暗示的那样，即使电路本身的功率相对较低，IoT/IIoT仍可以整合在低功率和高功率的环境中。

大部分物联网的「物」通常是电池供电的低功耗系统，主要使用原电池或不可充电电池。由于我们预计在不久的将来会有 1000 亿个终端设备（如果没有大于 1T 的话），这种增长幅度需要大量的电池，也就是如果我们每天丢弃超过 1 亿个电池将导致垃圾场充满有害废弃物，这将会是一场全球悲剧。

除了考虑到环境或可持续性以外，单纯以经济角度来看也并非想象中那么简单，因为即使能够大量便宜地购买这些小型原电池，但如果它们必须更换，那么最终成本可能会比整个系统高出数倍（例如，运营和维护费用可能大大超过成本支出，从而影响总成本）。

环境问题加上许多设备的系统功率预算非常低，因此出现了要用二次电池或可充电电池（或其他储能设备，如电容器）和汲取环境能量（也称为能量收集）的建议。IoT/IIoT、能量收集、能量存储和低功耗通信的融合就组成了大部分所谓的电力物联网生态系统。

智能电源管理

在大多数IoT/IIoT的应用中，尽可能地延长电池寿命至关重要，因为这与可用功率（例如能源）与系统功率预算（例如负载）之间的关系密切相关。似乎大部分的努力和资源都投入到可用功率最大化和提高电源转换器的效率上，而较少关注在如何降低系统功率预算上。

这样的情况可能令人有点困惑，因为比起更大的电池或更高效的电源转换器，更有机会使用智能电源管理 （IPM） 的技术来降低系统负载消耗。换句话说，以摩尔定律降低系统功率预算的速度比提升电池的能量密度来得更快。一般来说，电池容量大约每十年才会翻上一倍，而集成电路 （IC） 甚至微机电系统 （MEMS） 传感器等设备在提升功能的同时几乎可以每隔一年就将功耗减半。

如下图所示，若能源为分母，系统功率预算为分子，你的系统生存能力是这两者的拐点，减少分子的速度比增加分母的速度要快得多。换句话说，当比率 《 1 时，

图 1 – 可用功率和系统功率预算的关系

另外要注意的是仔细思考和设计如何不需要供电，因为以功耗的角度来看没有什么比已关闭的装置更环保或高效的了。因此优化系统功率预算的最佳途径就是弄清楚如何保持关闭或处在最小功率状态的同时仍达到应用目的。

 

设计未来的电源

通常来说无线电在 IoT/IIoT 设备的系统功率预算中占比最高，找到正确的传输与睡眠比率可以对电池寿命产生巨大影响。即使温度传感器能以 1 kHz 的频率进行采样，您是否需要知道如此精细的信息？更重要的是，是否有必要处理和传输这么多的数据？

随着整合计算、传感器、无线电、显示器、电机控制、能量存储和电源管理的趋势上升，对尺寸、重量和功率（也称为SWaP）的挑战也逐步增加。传统的分解式系统组合成越来越复杂的集成组件，例如片上系统（SoC） 或集成电机驱动系统。

这里的信息看似有点冲突，因为提到了SWaP挑战的增加又说到要同时减少单独系统组件。虽然在表面上看起来是个悖论但其实不是，因为系统设计人员/集成商总是在他们可以做的范围内尽可能塞更多的负载和功能。

虽然单个负载占用空间可能会降低热设计功率（TDP） 预算，但还是有一股不断推动整个系统功率预算向上的趋势。此刻就是电力电子和嵌入式工程发挥的时候，通过 IPM技术以尝试降低系统功率预算。

这个集成不但提高了组件和系统的密度，同时还增加了电源设计的复杂性。可以想象每种应用都有特定的设计规则和需求以及它们之间细微的差异性，如数据中心服务器、电信/无线基站、汽车、多元传感器系统、关键电池或备用电源系统。每个行业和应用领域都有属于自己的挑战、特殊技能、标准/法规、供应链和商业模式。

那么现在，当它们组合成一个单一的「智能」物品时会发生什么呢？自动驾驶汽车是这种融合的典型例子，因为它将本段中提到的每一件事物都结合在一起，或结合到车辆之中。在这里可以利用IoT/IIoT 的优势来最大化提高智能和性能，同时尽量降低每个子系统的能耗。例如，WSN为应用带来的好处是以使用无线技术而减少每克布线所节省的燃料来衡量的。

 

能源效率与仅提供能源

对于任何电源设计人员来说，把降低能源效率和优化电力交换作为最优先事项可能是一种错误，但在某些应用中，不惜一切代价将电力输送到负载才是最重要的。例如，在自动化工业中，意外停电可能会产生严重后果。在一些难以接近或恶劣的环境但又需要低功率的应用也能充分说明这一点，比如医疗植入物或装置，或者嵌在桥梁或建筑物等大型结构中的WSN。

近几年来无线电力传输 （WPT） 的名声不太好，有时是为了方便消费者，但有时是为了解决能源输送的挑战。然而，有能力区分很多 WPT 应用被错误归类为能量收集是很重要的。虽然这可能比较像是语义上的争论，但 WPT 通常涉及来自定向的电力换流（通常是离线或墙面上的电源），这其中的「线」恰好是无线链接。这与真的能收集环境能量的远场射频 （RF） 是相反的。

对大多数消费性应用而言，WPT代表的是能源效率的倒退，因为无线传输的低效率跟使用 20 多年前的有线 AC/DC 适配器无异（也就是臭名昭彰的壁挂式适配器） ，只因人们不肯花点力气插入电线。另一方面，如果想要从坚固的水泥中的 IoT节点捕获、处理和读取数据，或为嵌入活组织的原位 WSN 提供能量，即使WPT 的电力换流的效率很低在此时却很有用处。

 

低功耗仍需要高隔离

即使系统或 IoT 设备的功率极低且以低压运行，也不应假设它是在分离的且安全特低电压（SELV） 的环境中。特别是IIoT 应用的 WSN或IoT 节点可能连接到使用三相电压的大型机械或高功率系统，因此需要使用能够在高交流输入电压下运行的低功率电源。

这意味着电源解决方案可能需要提供宽输入电压范围、几 kV的隔离电压同时包含多种保护功能，例如过压保护（OVP）、过流保护（OCP） 、过温保护（OTP） 以及其他保护机制。这些设计要求可能对电源解决方案来说是基本的，即使它提供的功率相对较低仅 1 瓦或 10 瓦。这在与人体直接接触的应用也很重要，例如医疗设备和医学影像应用。

 

可持续性与未来展望

如前所述，IoT/IIoT 可以提供前所未有的机会，利用海量数据分析、优化功耗和通过环境监控进行预防性维护等，大幅度减少碳排放以及资本和运营支出 （CAPEX/OPEX）。但同时，IoT/IIoT会在电池等有害物质方面造成前所未有的浪费，消耗高过于地球能供给的各种贵金属、稀土材料和有限的气体。

IoT/IIoT 技术和能量收集的兼容性是这些市场最令人兴奋和最有希望的共生关系之一，因为理想的情况是传感器系统可以永久地从周围环境自我供电。这不仅能减少要有可靠性的关键路径物（即是原电池、连接器等），还可以让不需维护的「永久」系统一直运行下去。

就像生活中最复杂的问题一样，这里的关键信息是，没有一个绝对的、简单的答案来为解决方案或相关的业务和回报计算做解答。如果试图最大化性能和可持续性，就必须考虑各种二阶因素。

在未来的发布中，我们将深入探讨「虚拟能源」或「从摇篮到坟墓」生命周期的概念，这才是以全面的生命周期来评估产品的真正足迹（通常是以碳排放和水消耗足迹来衡量） ，而这涵盖了从原材料采集和制造到产品使用寿命和生产后的处理（即回收、处理有害物质等）。

编辑：黄飞