物联网设计中的功率管理解决方案

标签:物联网
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随着物联网设备的广度普及,设备的功率管理面临来自多方面的优化压力,包括减小尺寸、提高效率、改善电流消耗或加快充电时间。所有这些都必须以小尺寸实现,既不会对散热产生负面影响,也不能干扰设备本身实现的无线通信。

什么是物联网?

物联网应用有许多不同的表现形式。它通常是指一种智能的、联网的电子设备,可能由电池供电,并将预先计算好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组合来收集数据、响应数据,并将数据发送回网络中的中心点或其他节点。这可以包括任何东西,从将室内温度报告给中央监控的简单温度传感器,一直到跟踪非常昂贵的工厂设备的长期性能数据的机器健康监控器。

最终,这些设备的开发都是为了解决一些特定的挑战,无论是像家庭或楼宇自动化这类通常需要人工完成的自动化任务,还是在工业物联网应用中用来提高设备可用性和寿命,甚至是在像桥梁这类建筑结构状态监控应用中用来提高安全性。

示例应用

物联网设备的应用领域几乎可以说是无穷无尽。基于智能发射器的应用收集其所处环境的相关数据,以做出有关控制热量、发出警报或自动化任务的各种决策。此外,煤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结果。GPS跟踪系统是另一种应用:通过智能标签实现对集装箱和牲畜的跟踪。所有这些也仅是云连接设备的一小部分。而其他领域还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。物联网应用范围很广泛,但最终都是试图尽可能地实现工厂自动化,无论是通过使用自动引导车辆、智能传感器(如射频标签或压力计)、还是工厂里安置的其他环境传感器。

从作者的角度来看,物联网的主要关注点有五个:

智能健康:支持临床级和消费级的生命体征监控

智能工厂:专注于构建工业4.0,使工厂响应更敏捷、更灵活、更精简

智能建筑/智慧城市:将智能传感用于建筑安全、停车位占用检测以及热电控制

智能农业:利用现有技术实现农业自动化并提高资源利用效率

智能基础设施:基于状态监控技术来实现结构位移和安全监控

物联网设计挑战

在不断增长的物联网应用领域,设计师面临的主要挑战是什么?大部分设备(或节点)都是事后安装的,要么就是安装在难以到达的地方,因此不可能为它们供电。于是,这就意味着需要完全依赖电池和/或能量收集作为电源。

在大型设施周围改动电力设施可能非常昂贵,例如,考虑为工厂中的远程物联网节点供电就是如此。部署新的电缆来为该设备供电的想法既昂贵又耗时,这基本上使电池或能量收集成为这些远程节点供电的仅余选项。

对电池的依赖导致需要遵循严格的功耗预算,以确保电池寿命最大化,这当然会影响设备的总拥有成本。使用电池的另一个缺点是电池寿命到期后需要更换。这不仅包括电池本身的成本,还包括替换和处理旧电池潜在的高昂人工成本。

关于电池成本和尺寸的另一个考虑因素,就是选用容量较大的电池,以确保有足够的容量来满足通常超过10年的寿命要求。然而,容量太大又会导致额外的成本和尺寸。因此不仅要优化功率预算,还要尽可能降低能耗,以安装尽可能小的电池,同时满足设计要求,这一点非常重要。

物联网中的电源

物联网应用电源可分为三种场景:

依靠不可充电 (一次性) 电池供电的设备

需要充电电池的设备

利用能量收集为系统供电的设备

根据需要,上述选项可以单独或组合使用。

非充电/一次性电池

非充电电池面向仅偶尔使用电源的应用——也就是说,设备在返回深度睡眠模式之前偶尔通电,在深度睡眠模式下消耗的电量极小。使用非充电电池作为电源的主要优点是,它提供了高能量密度,设计简单,因为不需要容纳电池充电/管理电路,导致成本更低,所需的电子设备更少。从而非常适合低成本、低功耗应用。但由于电池寿命有限,它们不太适合功耗稍高的应用。

考虑具有多个节点的大型物联网部署。由于有技术人员在现场负责设备的电池更换,通常为了节省劳动力成本,都会一次性更换所有电池。当然,这也是浪费,会加剧全球垃圾问题。除此之外,非充电电池所能提供的电能只有制造它们所需总能源的2%,即大约98%的能源被浪费掉了,从而使其成为非常不经济的电源。

显然,非充电电池在物联网应用中确实有一席之地。由于初始成本相对较低,使其成为低功耗应用的理想选择。也有许多不同的类型和尺寸可选,因此是一种简单的解决方案。

从设计的角度来看,关键的挑战是最大限度地利用所提供的能量。为此,必须制定一个功耗预算计划,以确保电池寿命最长化(常见指标为10年)。

对于一次性电池应用,ADI纳瓦级功率系列产品中的两款器件值得考虑:即LTC3337纳瓦级功率库仑计数器和LTC3336纳瓦级功率降压调节器,如图1所示。

LTC3336是一款低功耗DC-DC转换器,输入可高达15V,峰值输出电流水平可编程。输入可以低至2.5 V,非常适合电池供电应用。

空载时,静态电流极低,仅为65 nA。随着DC至DC转换器的发展,在新设计中很容易设置和使用。可根据OUT0到OUT3这几个引脚的连接方式对输出电压进行编程。

与LTC3336配套的器件是LTC3337,这是一款纳瓦级功率电池健康状态监控器和库仑计数器。这是另一款设计中很方便使用的器件,只需根据所需的峰值电流(在5mA至100mA范围内)连接IPK引脚即可。根据所选电池进行一些计算,然后根据所选峰值电流(数据手册中给出)填入推荐的输出上限即可。

最终,这是非常适合功耗预算有限的物联网应用的一对器件。这对器件既能精确监控电池的能量使用情况,又能将输出高效地转换为可用的系统电压。

 

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图1: LTC3337和LTC3336应用电路。

充电电池应用

再来讨论可充电电池的应用。对于高电池更换频率不是选项的高功率或高功耗物联网应用,这是一个不错的选择。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现方式,但是在电池频繁耗电和充电的高消耗应用中,该成本是合理的,并且很快就可以收回。

根据所使用的化学物质,可充电电池的初始能量可能比一次性电池低,但从长远来看,这是更有效的选择,总体来说浪费更少。根据功率需求,另一种选择是电容器或超级电容器能量存储,但这些多用于短期备用能量存储。

电池充电涉及几种不同的模式和专业配置,具体取决于所用的化学物质。例如,锂离子电池充电曲线如图2所示。水平轴是电池电压,纵轴为充电电流。

 

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图2:充电电流与电池电压的关系。

 

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图3:充电电压/电流与时间的关系。

当电池过放电(图2中左侧)时,充电器需要足够智能,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,充电器按编程电流对电池充电,直到电池电压上升至编程浮充电压。

编程电流和电压都由所用的电池类型决定。充电电流受C-rate和所需充电时间的限制,浮充电压取决于电池安全电压。如果需要,系统设计人员可以稍微降低浮充电压,以延长电池寿命。

当达到浮充电压时,充电电流降至零,并根据充电自动终止算法(termination algorithm),使该电压保持一段时间。

图3所示为三单元电池的能量指标随时间变化的示意图。电池电压为红色,充电电流为蓝色。启动模式为恒流, 2 A封顶,直到电池电压达到12.6恒压阈值。充电器在该电压保持一段时间,具体长度由终止计时器确定,本例中为4小时。该时间在许多充电器上都是可编程的。

图4所示为多功能降压电池充电器芯片LTC4162,其充电电流高达3.2 A,适合各种应用,包括便携式仪器和需要较大电池或多节电池的应用。它也可以用太阳能充电。

 

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图4:3.2 A降压电池充电管理芯片。

能量采集

物联网应用中,另一个供电选项是能量采集。对系统设计人员来说,虽然设计考虑因素较多,但免费能源的吸引力不能低估,尤其是对于电源要求不太严格的一些应用,以及安装需要省事、或者说维修技术人员无法达及的一些应用。

有许多不同的能源可供选择,而且并非只有户外应用来能利用这些能源。可以收集的能源包括太阳能、压电或振动能、热电能、甚至还有射频能。

 

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图5:各种能源收集及各种应用所需能源的大致水平。

至于缺点,与之前讨论的其他电源相比,初始成本更高,因为需要收集元件,例如太阳能板、压电接收器或珀耳帖元件,以及能量转换IC和相关组件。

另一个缺点是整体解决方案的尺寸,特别是与纽扣电池这样的电源相比。用能量采集器和转换IC很难实现小尺寸解决方案。

就效率而言,管理低能量电平可能也是一个棘手问题。这是因为许多电源是交流的,需要用二极管进行整流。设计者必须处理因其固有特性引起的能量损失。随着输入电压的增加,这种影响会减小,不过并非总能有高输入电压。

大多数电能收集中所用的器件都来自ADP509x系列产品,以及LTC3108,可适应多种能量采集源,具有多条电源路径和可编程充电管理,从而具有最高的设计灵活性。可以使用多种能源为ADP509x供电,也可以从其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(在可穿戴应用中从人体热量中提取热能或引擎热量),所收集的任何能量都可以用来为物联网节点供电。另一种选择是从压电源获取能量,这增加了另一层灵活性,这是从运行电机中提取功率的一个不错的选择。

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图6:用于能量收集应用的ADP5090方框图。

另一款能够由压电供电的器件是ADP5304,静态电流极低(空载时典型值为260 nA),非常适合低功耗电能收集应用。其数据手册提供了一款电能收集典型应用电路(见图7),由压电源供电,用于为ADC或RF IC供电。

能耗监控

对于功耗预算有限的应用,另一个应该重视的领域是能源管理。在考虑不同的电源管理解决方案之前,首先要为应用进行功率预算。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。这将影响设计师做决定,是选择一次电池、充电电池、能量收集或这些方案的组合。

当考虑能源管理时,另一个重要细节是物联网设备收集信号并将其发送回中央系统或云的频率,这对整体功耗有很大影响。一种常见的技术是,对电源使用进行占空比调整,或者延长唤醒设备收集数据与发送数据之间的时间。

当试图管理系统能量使用时,充分利用每台电子设备上的待机模式(如果可用)也是实用的方法。

 

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图7:ADP5304压电源应用电路。

结论

与所有电子应用一样,尽早考虑电路的功率管理都非常重要,而在物联网等功耗受限的应用中则更为重要。在流程早期制定功耗预算,有助于系统设计人员确定最有效的能量路径和合适的设备,以应对这些应用带来的挑战,同时在小型解决方案中实现高能效。

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