本文探討了物聯網 （IoT） 電池技術。它描述了設計人員在供電方面面臨的一些問題，并提供了ADI公司的解決方案。這些解決方案非常高效，可以幫助遏制物聯網設備中的其他問題，包括尺寸、重量和溫度。

隨著物聯網設備在工業設備、家庭自動化和醫療應用中的使用越來越多，優化這些設備的電源管理部分的壓力越來越大——無論是通過更小的外形尺寸、更高的效率、更好的電流消耗還是更快的充電時間（對于便攜式物聯網設備）。所有這些都必須在小尺寸中實現，既不會對散熱產生負面影響，也不會干擾這些設備實現的無線通信。

什么是物聯網？

這個特殊的物聯網應用領域有許多不同的偽裝。它通常是指一種智能的網絡連接電子設備，該設備可能是電池供電的，并將預先計算的數據發送到基于云的基礎設施。它利用處理器、通信IC和傳感器等嵌入式系統的混合來收集、響應數據并將其發送回網絡中的中心點或其他節點。這可以是任何東西，從簡單的溫度傳感器報告室溫回到中央監控區域，一直到跟蹤非常昂貴的工廠設備的長期健康狀況的機器健康監視器。

最終，這些設備的開發是為了解決特定的挑戰，無論是自動化通常需要人為干預的任務，如家庭或樓宇自動化，還是在工業物聯網應用中提高設備的可用性和使用壽命，或者如果您考慮在基于結構的應用（如橋梁）中實現的基于狀態的監控應用，甚至可以提高安全性。

應用示例

物聯網設備的應用領域幾乎是無窮無盡的，每天都在考慮新設備和用例。基于智能變送器的應用程序收集有關其所坐環境的數據，以做出有關控制熱量、觸發警報或自動化特定任務的決策。此外，燃氣表和空氣質量測量系統等便攜式儀器通過云向控制中心提供準確的測量。GPS跟蹤系統是另一種應用。它們允許通過智能耳標跟蹤集裝箱以及奶牛等牲畜。這些僅包括云連接設備的一小部分。其他領域包括可穿戴醫療保健和基礎設施傳感應用。

一個重要的增長領域是工業物聯網應用，這是第四次工業革命的一部分，智能工廠占據了中心舞臺。有各種各樣的物聯網應用最終試圖盡可能多地實現工廠的自動化，無論是通過使用自動導引車（AGV），智能傳感器（如RF標簽或壓力表），還是位于工廠周圍的其他環境傳感器。

從ADI的角度來看，物聯網的高層次關注點主要集中在五個主要領域：

智能健康—支持臨床層面和消費類應用的生命體征監測應用。

智能工廠——專注于通過提高工廠的響應速度、靈活性和精簡性來構建工業 4.0。

智能建筑/智慧城市 - 使用智能傳感進行建筑安全、停車位占用檢測以及熱和電氣控制。

智能農業 - 使用可用的技術實現自動化農業和資源利用效率。

智能基礎設施 - 基于我們基于狀態的監測技術來監測運動和結構健康狀況。

有關這些重點領域以及可用于支持它們的技術的更多信息，請訪問 analog.com/IoT。

物聯網設計挑戰

在不斷增長的物聯網應用領域中，設計人員面臨的主要挑戰是什么？這些設備或節點中的大多數都是在事后安裝的，或者在難以到達的區域安裝，因此不可能為它們供電。這當然意味著它們完全依賴電池和/或能量收集作為電源。

在大型設施周圍移動電力可能非常昂貴。例如，考慮為工廠中的遠程物聯網節點供電。運行新的電源線為該設備供電的想法既昂貴又耗時，這基本上使電池電源或能量收集成為為這些遠程節點供電的剩余選項。

對電池電源的依賴需要遵循嚴格的功率預算，以確保電池的使用壽命最大化，這當然會影響設備的總擁有成本。電池使用的另一個缺點是需要在電池壽命到期后更換電池。這不僅包括電池本身的成本，還包括更換和可能處理舊電池的人力成本。

關于電池成本和尺寸的另一個考慮因素 - 很容易過度設計電池以確保有足夠的容量來實現使用壽命要求，通常大于10年。然而，過度設計會導致額外的成本和尺寸，因此不僅要優化功率預算，還要盡可能減少能源使用，以便安裝盡可能小的電池，同時仍能滿足您的設計要求，這一點非常重要。

物聯網中的電源

出于此電源討論的目的，IoT 應用的電源可被視為三種方案：

依賴不可充電電池電源（主電池）的設備

需要充電電池的設備

利用能量收集來提供系統電源的設備

這些源可以單獨使用，也可以組合使用（如果應用程序需要）。

一次電池應用

大家都知道不同的原電池應用，也稱為不可充電電池應用。這些面向僅偶爾使用電源的應用，也就是說，設備偶爾通電，然后返回深度睡眠模式，消耗最小的功率。將其用作電源的主要優點是它提供了高能量密度和更簡單的設計（因為您不需要容納電池充電/管理電路）以及更低的成本，因為電池更便宜且需要更少的電子設備。它們非常適合低成本、低功耗應用，但由于這些電池的使用壽命有限，因此它們不太適合功耗稍高的應用，因此這會產生更換電池的成本以及更換電池所需的維修技術人員的成本。

考慮具有許多節點的大型 IoT 安裝。由于您有技術人員在現場更換一臺設備的電池，因此通常最終會一次性更換所有電池以節省人工成本。當然，這是浪費，只會加劇我們整個全球廢物問題。最重要的是，不可充電電池僅提供最初用于制造它們的功率的2%左右。~98%的能源浪費使它們成為非常不經濟的電源。

顯然，這些在基于物聯網的應用程序中確實占有一席之地。其相對較低的初始成本使其成為低功耗應用的理想選擇。有不同類型和尺寸的負載可用，并且由于它們不需要太多額外的電子設備進行充電或管理，因此它們是一個簡單的解決方案。

從設計的角度來看，關鍵的挑戰是充分利用這些小電源提供的能量。為此，需要花費大量時間制定功率預算計劃，以確保電池的使用壽命最大化，10 年是常見的壽命目標。

對于原電池應用，我們毫微功耗產品系列中的兩款器件值得考慮：LTC3337毫微功耗庫侖計數器和LTC3336毫微功耗降壓穩壓器，如圖1所示。

圖1.LTC3337和LTC3336應用電路。

LTC?3336是一款低功耗DC-DC轉換器，采用高達15 V的輸入供電，具有可編程峰值輸出電流水平。輸入電壓可低至2.5 V，非常適合電池供電應用。

靜態電流極低，為65 nA，空載調節時。隨著DC-DC轉換器的發展，這很容易在新設計中進行設置和使用。輸出電壓根據 OUT0 至 OUT3 引腳的搭接方式進行編程。

LTC3336 的配套器件是 LTC3337，它是一款毫微功率原電池健康狀態監視器和庫侖計數器。這是新設計中另一種易于使用的器件——只需根據所需的峰值電流（5 mA 至 100 mA 區域）連接 IPK 引腳即可。根據所選電池運行一些計算，然后根據所選峰值電流填充推薦的輸出電容，詳見數據手冊。

最終，這是一對出色的設備組合，適用于功率預算有限的物聯網應用。這些器件既可以精確監控原電池的能量使用情況，又可以有效地將輸出轉換為可用的系統電壓。

可充電電池應用

讓我們繼續討論可充電應用程序。對于無法選擇主電池更換頻率的更高功率或更高漏極的物聯網應用來說，這些是一個不錯的選擇。由于電池和充電電路的初始成本，可充電電池應用是一種成本較高的實施方式，但在電池耗盡并頻繁充電的高耗電應用中，成本是合理的，很快就會收回。

根據所使用的化學成分，可充電電池應用的初始能量可能低于原電池，但從長遠來看，它是更有效的選擇，并且總體而言，浪費更少。根據電力需求，另一種選擇是電容器或超級電容器存儲，但這些更多用于短期備份存儲。

電池充電涉及幾種不同的模式和專業配置文件，具體取決于所使用的化學成分。例如，鋰離子電池充電曲線如圖2所示。底部是電池電壓，充電電流在垂直軸上。

圖2.充電電流與電池電壓的關系。

當電池嚴重放電時，如圖2左側所示，充電器需要足夠聰明地將其置于預充電模式，以便在進入恒流模式之前將電池電壓緩慢增加到安全水平。

在恒流模式下，充電器將編程電流推入電池，直到電池電壓上升到編程浮動電壓。

編程電流和電壓均由所使用的電池類型定義 - 充電電流受 C 速率和所需充電時間的限制，浮動電壓基于電池的安全值。如果系統需要，系統設計人員可以稍微降低浮動電壓，以幫助延長電池的使用壽命——就像所有有電源的東西一樣，這一切都需要權衡取舍。

當達到浮動電壓時，可以看到充電電流降至零，并且根據終止算法保持該電壓一段時間。

圖 3 為一個 3 單元應用提供了不同的圖表，顯示了一段時間內的行為。電池電壓以紅色顯示，充電電流以藍色顯示。它以恒流模式啟動，最高電流為2 A，直到電池電壓達到12.6 V恒壓閾值。充電器在終止定時器定義的時間內保持此電壓，在本例中為 4 小時窗口。該時間可在許多充電器部件上編程。

圖3.充電電壓/電流與時間的關系。

有關電池充電的更多信息以及一些有趣的產品，我推薦《模擬對話》文章“適用于任何化學的簡單電池充電器IC”。

圖4顯示了多功能降壓電池充電器LTC4162的一個很好的例子，它可以提供高達3.2 A的充電電流，適合各種應用，包括便攜式儀器和需要更大電池或多節電池的應用。它也可以用來從太陽能充電。

圖4.LTC4162是一款3.2 A降壓型電池充電器。

能量收集應用

在使用物聯網應用及其電源時，要考慮的另一個選擇是能量收集。當然，系統設計人員有幾個考慮因素，但自由能源的吸引力不容低估，特別是對于電源要求不太重要且需要放手安裝的應用，也就是說，沒有服務技術人員可以到達它。

有許多不同的能源可供選擇，它們不需要是戶外應用來利用它們。可以收集太陽能以及壓電或振動能量，熱電能量，甚至RF能量（盡管其功率水平非常低）。

圖5提供了使用不同收獲方法時的近似能量水平。

圖5.可用于各種應用的能源和近似水平。

至于缺點，與前面討論的其他電源相比，初始成本更高，因為您需要收集元件，例如太陽能電池板、壓電接收器或珀爾帖元件，以及能量轉換 IC 和相關使能組件。

另一個缺點是整體解決方案尺寸，特別是與紐扣電池等電源相比。使用能量收集器和轉換IC很難實現小尺寸的解決方案。

效率方面，這可能是一個棘手的管理低能量水平的問題。這是因為許多電源是交流電，因此需要整流。二極管用于執行此操作。設計人員必須處理由其固有特性引起的能量損失。隨著輸入電壓的增加，其影響會減小，但這并不總是可能的。

在大多數能量收集討論中彈出的器件來自ADP509x系列產品和LTC3108，它們可以通過多條電源路徑和可編程充電管理選項來適應各種能量收集源，從而提供最高的設計靈活性。多種能源可用于為ADP509x供電，但也可用于從該電源中提取能量，為電池充電或為系統負載供電。從太陽能（室內和室外）到熱電發電機，從可穿戴應用中的體溫或發動機熱量中提取熱能的任何東西都可用于為物聯網節點供電。另一種選擇是從壓電源收集能量，這增加了另一層靈活性——例如，這是從運行電機中提取電力的不錯選擇。

圖6.

ADP5090

在收獲應用中的框圖。

另一款能夠由壓電電源供電的器件是ADP5304，其靜態電流非常低（空載時典型值為260 nA），非常適合低功耗能量收集應用。數據手冊共享一個典型的能量收集應用電路（見圖7），該電路由壓電電源供電，用于為ADC或RF IC供電。

圖7.ADP5304壓電源應用電路

能源管理

與功率預算有限的應用相關的任何討論中應包含的另一個領域是能源管理。首先，在查看不同的電源管理解決方案之前，為應用開發功率預算計算。這一重要步驟有助于系統設計人員了解系統中使用的關鍵組件以及它們需要多少能量。這會影響他們選擇原電池、可充電電池、能量收集或這些組合作為電源方法的決定。

物聯網設備收集信號并將其發送回中央系統或云的頻率是查看能源管理時的另一個重要細節，這對整體功耗有很大影響。一種常見的技術是占空比電源使用或延長喚醒設備以收集和/或發送數據之間的時間。

在嘗試管理系統能源使用時，在每個電子設備（如果可用）上使用待機模式也是一個有用的工具。

結論

與所有電子應用一樣，盡早考慮電路的電源管理部分非常重要。這在物聯網等功耗受限的應用中更為重要。在流程早期制定功率預算可以幫助系統設計人員確定最有效的路徑和合適的器件，以應對這些應用帶來的挑戰，同時仍以較小的解決方案尺寸實現高能效。

審核編輯：郭婷