Diarmuid Carey

本文探討物聯(lián)網(wǎng)(IoT)電池技術(shù)。將描述設(shè)計人員面臨的一些電源問題，以及ADI公司提供的解決方案。這些解決方案非常高效，可以幫助克服物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的其他問題，包括尺寸、重量和溫度。

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來越多地用于工業(yè)設(shè)備、家居自動化和醫(yī)療應(yīng)用中，通過減小外形尺寸、提高效率、改善電流消耗，或者加快充電時間（對于便攜式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）來優(yōu)化這些設(shè)備的電源管理的壓力也越來越大。所有這些都必須以小尺寸實現(xiàn)，既不能影響散熱，也不能干擾這些設(shè)備實現(xiàn)無線通信。

什么是物聯(lián)網(wǎng)？

這個特定的物聯(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。這可以是任何東西，例如簡單的溫度傳感器，用于向中央監(jiān)控區(qū)域報告室溫，或者設(shè)備健康監(jiān)測器，用于跟蹤監(jiān)測價格高昂的工廠設(shè)備的長期健康狀況。

最終，開發(fā)這些設(shè)備是為了解決特定挑戰(zhàn)，無論是為了自動執(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)域幾乎沒有止境，每天都會考量新的設(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)警報或自動執(zhí)行特定任務(wù)的相關(guān)決策。此外，煤氣表和空氣質(zhì)量測量系統(tǒng)這類便攜式儀器可以通過云向控制中心提供準(zhǔn)確的測量結(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)施檢測應(yīng)用。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是一個重要的增長領(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現(xiàn)工廠自動化，無論是通過使用自動導(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公司認(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者應(yīng)用的生命體征監(jiān)測應(yīng)用。
• 智能工廠——側(cè)重于通過提高工廠的快速響應(yīng)能力、使工廠更靈活、更精簡，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)來執(zhí)行樓宇安全、車位占用檢測，以及實施溫度和電氣控制。
• 智能農(nóng)業(yè)——利用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)自動化農(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)來監(jiān)測移動和結(jié)構(gòu)健康。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計挑戰(zhàn)

在不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計人員面臨哪些主要挑戰(zhàn)？這些設(shè)備或節(jié)點大多數(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)要為工廠中的偏遠物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供電。如果通過部署新電纜為該設(shè)備供電，不僅實施成本高昂，而且極為耗時，所以一般都會選擇使用電池或能量收集方式為這些偏遠節(jié)點供電。

依賴電池供電就需要遵循嚴(yán)格的功率預(yù)算，以確保盡可能延長電池壽命，這必然會影響設(shè)備的總擁有成本。使用電池的另一個缺點就是在電池報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，這往往會導(dǎo)致對電池過度設(shè)計，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10年。但是，過度設(shè)計會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，同時仍能夠滿足設(shè)計要求。

物聯(lián)網(wǎng)供電

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：

• 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
• 利用能量收集來提供系統(tǒng)電源的設(shè)備

這些電源可以單獨使用，或根據(jù)應(yīng)用需要組合使用。

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，設(shè)備偶爾通電，然后重新進入深度睡眠模式，所以耗電很少。使用原電池供電的主要優(yōu)勢在于：它提供高電能密度，設(shè)計簡單（因為無需包含電池充電/管理電路），以及成本較低（因為電池更便宜，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，因為這些電池的壽命有限，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)點的大型物聯(lián)網(wǎng)裝置。當(dāng)您請技術(shù)人員現(xiàn)場更換一臺設(shè)備的電池時，通常會一次性更換所有電池，以節(jié)省人工成本。毫無疑問，這是一種浪費，只會加劇全球浪費問題。更重要的一點，不可充電電池只提供了最初制造電池所用電量的2%。約98%的電量浪費使得這種電源的經(jīng)濟效益非常低。

顯然，它們在基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中確有一席之地。相對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，而且無需使用額外的電子器件來進行充電或管理，所以是簡單的解決方案。

從設(shè)計角度來看，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，我們需要花費大量時間來制定功率預(yù)算計劃，以確保盡量延長電池的使用壽命，設(shè)計目標(biāo)一般是10年。

對于原電池應(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 微功耗庫侖計數(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，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，可輕松設(shè)置并用于新設(shè)計中。輸出電壓可根據(jù)OUT0至OUT3引腳的連接方式進行編程設(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)視器和庫侖計數(shù)器。這是另一款可輕松用于新設(shè)計的產(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)選定的電池進行一些計算，然后填入基于選擇的峰值電流推薦的輸出電容，具體參見數(shù)據(jù)手冊。

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，我們來看看可充電應(yīng)用。對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不錯的選擇。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，但從長遠來看，效率更高，總體來說，浪費更少。根據(jù)電力需求，還可以選擇電容或超級電容存儲，但它們更多用于短期后備存儲。

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(specialist profiles)。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，如圖2左側(cè)所示，充電器需要具有足夠智能，讓電池進入預(yù)充電模式，使電池電壓緩慢增加到安全水平，然后進入恒流模式。

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)計人員可以根據(jù)系統(tǒng)需要，通過稍微降低浮充電壓來幫助延長電池的使用壽命，與針對電源的考量一樣，就是進行權(quán)衡和取舍。

達到浮充電壓之后，充電電流會降至零，并且會根據(jù)終止算法使該電壓保持一段時間。

圖3顯示了3電池應(yīng)用隨時間變化的行為特性曲線。紅色線條表示電池電壓，藍色線條表示充電電流。它在恒流模式下啟動，最高電流達2 A，直至電池電壓達到12.6 V恒壓閾值。充電器在終止定時器定義的時長內(nèi)保持此電壓，在本例中，時長為4個小時。許多充電器產(chǎn)品都支持編程設(shè)置該時間。圖3.充電電壓/電流與時間的關(guān)系。

圖4顯示了一個不錯的多功能降壓型電池充電器(LTC4162)示例，它可以提供高達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，另一個可以考慮的選項是能源收集。當(dāng)然，對于系統(tǒng)設(shè)計人員來說，需要考慮多方面因素，但免費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。太陽能以及壓電或振動能量、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，與之前討論的其他電源相比，其初始成本更高，因為需要使用收集元件，例如太陽能電池板、壓電接收器或珀爾帖效應(yīng)元件，以及電能轉(zhuǎn)換IC和相關(guān)的使能組件。

另一個缺點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，很難實現(xiàn)小型解決方案。

在效率方面，管理低電能水平也是一個難題。因為許多電源都是交流電源，所以需要整流。我們使用二極管來實現(xiàn)整流。設(shè)計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自 ADP509x 產(chǎn)品系列和 LTC3108，它支持廣泛的能量收集來源，提供多條電源路徑和可編程充電管理選項，可以提供極高的設(shè)計靈活性。可以使用多種能源為ADP509x供電，但也可以從電源中提取電能，用于為電池充電或為系統(tǒng)負載供電。從太陽能（室內(nèi)和室外）到熱電發(fā)電機（從可穿戴應(yīng)用的人體熱量或發(fā)動機熱量中提取熱能），任何能量來源都可用于為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供電。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，也是一種很不錯的方式，（例如）可以從運行的電機中提取電能。

圖6.能量收集應(yīng)用中 ADP5090 的功能框圖。

另一個能夠通過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）運行，非常適合低功耗能量收集應(yīng)用。數(shù)據(jù)手冊中展示了一個典型的能量收集應(yīng)用電路（參見圖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，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，首先要針對應(yīng)用執(zhí)行功率預(yù)算計算。這個步驟很重要，可以幫助系統(tǒng)設(shè)計人員了解系統(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，還是將這些選項組合使用。

在研究電能管理時，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集信號并將其發(fā)送回中央系統(tǒng)或云端的頻率是另一個重要因素，它對整體功耗有很大影響。一種常見手段是調(diào)整電源使用的占空比，或者延長喚醒設(shè)備使其收集和/或發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔。

在嘗試管理系統(tǒng)電能使用情況時，對每個電子設(shè)備使用待機模式（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)計階段盡早制定功率預(yù)算有助于系統(tǒng)設(shè)計人員確定有效的路徑和合適的設(shè)備，以應(yīng)對這些應(yīng)用帶來的挑戰(zhàn)，同時仍能夠以小尺寸解決方案實現(xiàn)高能效。

審核編輯：郭婷