物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 是當(dāng)今與所有事物都相關(guān)的流行詞——從用于預(yù)防性維護(hù)的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)到用于跟蹤資產(chǎn)的智能、自供電標(biāo)簽，幾乎涵蓋了所有商業(yè)和工業(yè)中使用的小型器件。本文通過專業(yè)的闡述和應(yīng)用解析，從電源的角度出發(fā)，幫助理解如何在不同級(jí)別的應(yīng)用中，用以電源為中心的思維方式獲得層級(jí)式解決方案。

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 可以代表很多事物。例如對(duì)某些人來說，是藍(lán)牙 低功耗 （BLE）設(shè)備，可以讓智能手機(jī)進(jìn)行通信甚至控制任何現(xiàn)代電子設(shè)備。對(duì)其他人來說，IoT代表傳感器無處不在，從用于跟蹤的高價(jià)值資產(chǎn)、設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)（更常稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或 IIoT），到可穿戴的醫(yī)療設(shè)備/植入物，傳感器會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。　

2006年英國數(shù)學(xué)家 Clive Humby的名言暗示了這種使用海量數(shù)據(jù)分析所建立的行業(yè)，他說：「數(shù)據(jù)是新的石油。」 或許對(duì)于許多人來說，IoT只是為烤面包機(jī)或窗簾增加了一個(gè)「智能」名稱，然而不清楚這對(duì)今天和明天的技術(shù)來說究竟意味著什么。

從電源角度看

IoT的意思是使用電池的低功耗系統(tǒng)以及系統(tǒng)的整合，特別是在遠(yuǎn)程監(jiān)控、電動(dòng)/自動(dòng)駕駛汽車 （EV/AV） 、航空/軍事應(yīng)用和其他陸上大型運(yùn)輸（即鐵路）。以電源的角度來看，它可能是無所不在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），這些網(wǎng)絡(luò)嵌在無法訪問、非常昂貴或危險(xiǎn)的環(huán)境中（如深油井、永久嵌入建筑物或風(fēng)力發(fā)電機(jī)的渦輪葉片）。

這也代表以前無法實(shí)現(xiàn)的遙測(cè)、控制和預(yù)防性維護(hù)措施將有機(jī)會(huì)得到實(shí)現(xiàn)。正如這些不同的系統(tǒng)和應(yīng)用所暗示的那樣，即使電路本身的功率相對(duì)較低，IoT/IIoT仍可以整合在低功率和高功率的環(huán)境中。

大部分物聯(lián)網(wǎng)的「物」通常是電池供電的低功耗系統(tǒng)，主要使用原電池或不可充電電池。由于我們預(yù)計(jì)在不久的將來會(huì)有 1000 億個(gè)終端設(shè)備（如果沒有大于 1T 的話），這種增長(zhǎng)幅度需要大量的電池，也就是如果我們每天丟棄超過 1 億個(gè)電池將導(dǎo)致垃圾場(chǎng)充滿有害廢棄物，這將會(huì)是一場(chǎng)全球悲劇。

除了考慮到環(huán)境或可持續(xù)性以外，單純以經(jīng)濟(jì)角度來看也并非想象中那么簡(jiǎn)單，因?yàn)榧词鼓軌虼罅勘阋说刭徺I這些小型原電池，但如果它們必須更換，那么最終成本可能會(huì)比整個(gè)系統(tǒng)高出數(shù)倍（例如，運(yùn)營(yíng)和維護(hù)費(fèi)用可能大大超過成本支出，從而影響總成本）。

環(huán)境問題加上許多設(shè)備的系統(tǒng)功率預(yù)算非常低，因此出現(xiàn)了要用二次電池或可充電電池（或其他儲(chǔ)能設(shè)備，如電容器）和汲取環(huán)境能量（也稱為能量收集）的建議。IoT/IIoT、能量收集、能量存儲(chǔ)和低功耗通信的融合就組成了大部分所謂的電力物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

智能電源管理

在大多數(shù)IoT/IIoT的應(yīng)用中，盡可能地延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要，因?yàn)檫@與可用功率（例如能源）與系統(tǒng)功率預(yù)算（例如負(fù)載）之間的關(guān)系密切相關(guān)。似乎大部分的努力和資源都投入到可用功率最大化和提高電源轉(zhuǎn)換器的效率上，而較少關(guān)注在如何降低系統(tǒng)功率預(yù)算上。

這樣的情況可能令人有點(diǎn)困惑，因?yàn)楸绕鸶蟮碾姵鼗蚋咝У碾娫崔D(zhuǎn)換器，更有機(jī)會(huì)使用智能電源管理 （IPM） 的技術(shù)來降低系統(tǒng)負(fù)載消耗。換句話說，以摩爾定律降低系統(tǒng)功率預(yù)算的速度比提升電池的能量密度來得更快。一般來說，電池容量大約每十年才會(huì)翻上一倍，而集成電路 （IC） 甚至微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 傳感器等設(shè)備在提升功能的同時(shí)幾乎可以每隔一年就將功耗減半。

如下圖所示，若能源為分母，系統(tǒng)功率預(yù)算為分子，你的系統(tǒng)生存能力是這兩者的拐點(diǎn)，減少分子的速度比增加分母的速度要快得多。換句話說，當(dāng)比率 《 1 時(shí)，

圖 1 – 可用功率和系統(tǒng)功率預(yù)算的關(guān)系

另外要注意的是仔細(xì)思考和設(shè)計(jì)如何不需要供電，因?yàn)橐怨牡慕嵌葋砜礇]有什么比已關(guān)閉的裝置更環(huán)保或高效的了。因此優(yōu)化系統(tǒng)功率預(yù)算的最佳途徑就是弄清楚如何保持關(guān)閉或處在最小功率狀態(tài)的同時(shí)仍達(dá)到應(yīng)用目的。

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設(shè)計(jì)未來的電源

通常來說無線電在 IoT/IIoT 設(shè)備的系統(tǒng)功率預(yù)算中占比最高，找到正確的傳輸與睡眠比率可以對(duì)電池壽命產(chǎn)生巨大影響。即使溫度傳感器能以 1 kHz 的頻率進(jìn)行采樣，您是否需要知道如此精細(xì)的信息？更重要的是，是否有必要處理和傳輸這么多的數(shù)據(jù)？

隨著整合計(jì)算、傳感器、無線電、顯示器、電機(jī)控制、能量存儲(chǔ)和電源管理的趨勢(shì)上升，對(duì)尺寸、重量和功率（也稱為SWaP）的挑戰(zhàn)也逐步增加。傳統(tǒng)的分解式系統(tǒng)組合成越來越復(fù)雜的集成組件，例如片上系統(tǒng)（SoC） 或集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

這里的信息看似有點(diǎn)沖突，因?yàn)樘岬搅薙WaP挑戰(zhàn)的增加又說到要同時(shí)減少單獨(dú)系統(tǒng)組件。雖然在表面上看起來是個(gè)悖論但其實(shí)不是，因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員/集成商總是在他們可以做的范圍內(nèi)盡可能塞更多的負(fù)載和功能。

雖然單個(gè)負(fù)載占用空間可能會(huì)降低熱設(shè)計(jì)功率（TDP） 預(yù)算，但還是有一股不斷推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)功率預(yù)算向上的趨勢(shì)。此刻就是電力電子和嵌入式工程發(fā)揮的時(shí)候，通過 IPM技術(shù)以嘗試降低系統(tǒng)功率預(yù)算。

這個(gè)集成不但提高了組件和系統(tǒng)的密度，同時(shí)還增加了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。可以想象每種應(yīng)用都有特定的設(shè)計(jì)規(guī)則和需求以及它們之間細(xì)微的差異性，如數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、電信/無線基站、汽車、多元傳感器系統(tǒng)、關(guān)鍵電池或備用電源系統(tǒng)。每個(gè)行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域都有屬于自己的挑戰(zhàn)、特殊技能、標(biāo)準(zhǔn)/法規(guī)、供應(yīng)鏈和商業(yè)模式。

那么現(xiàn)在，當(dāng)它們組合成一個(gè)單一的「智能」物品時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢？自動(dòng)駕駛汽車是這種融合的典型例子，因?yàn)樗鼘⒈径沃刑岬降拿恳患挛锒冀Y(jié)合在一起，或結(jié)合到車輛之中。在這里可以利用IoT/IIoT 的優(yōu)勢(shì)來最大化提高智能和性能，同時(shí)盡量降低每個(gè)子系統(tǒng)的能耗。例如，WSN為應(yīng)用帶來的好處是以使用無線技術(shù)而減少每克布線所節(jié)省的燃料來衡量的。

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能源效率與僅提供能源

對(duì)于任何電源設(shè)計(jì)人員來說，把降低能源效率和優(yōu)化電力交換作為最優(yōu)先事項(xiàng)可能是一種錯(cuò)誤，但在某些應(yīng)用中，不惜一切代價(jià)將電力輸送到負(fù)載才是最重要的。例如，在自動(dòng)化工業(yè)中，意外停電可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果。在一些難以接近或惡劣的環(huán)境但又需要低功率的應(yīng)用也能充分說明這一點(diǎn)，比如醫(yī)療植入物或裝置，或者嵌在橋梁或建筑物等大型結(jié)構(gòu)中的WSN。

近幾年來無線電力傳輸 （WPT） 的名聲不太好，有時(shí)是為了方便消費(fèi)者，但有時(shí)是為了解決能源輸送的挑戰(zhàn)。然而，有能力區(qū)分很多 WPT 應(yīng)用被錯(cuò)誤歸類為能量收集是很重要的。雖然這可能比較像是語義上的爭(zhēng)論，但 WPT 通常涉及來自定向的電力換流（通常是離線或墻面上的電源），這其中的「線」恰好是無線鏈接。這與真的能收集環(huán)境能量的遠(yuǎn)場(chǎng)射頻 （RF） 是相反的。

對(duì)大多數(shù)消費(fèi)性應(yīng)用而言，WPT代表的是能源效率的倒退，因?yàn)闊o線傳輸?shù)牡托矢褂?20 多年前的有線 AC/DC 適配器無異（也就是臭名昭彰的壁掛式適配器） ，只因人們不肯花點(diǎn)力氣插入電線。另一方面，如果想要從堅(jiān)固的水泥中的 IoT節(jié)點(diǎn)捕獲、處理和讀取數(shù)據(jù)，或?yàn)榍度牖罱M織的原位 WSN 提供能量，即使WPT 的電力換流的效率很低在此時(shí)卻很有用處。

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低功耗仍需要高隔離

即使系統(tǒng)或 IoT 設(shè)備的功率極低且以低壓運(yùn)行，也不應(yīng)假設(shè)它是在分離的且安全特低電壓（SELV） 的環(huán)境中。特別是IIoT 應(yīng)用的 WSN或IoT 節(jié)點(diǎn)可能連接到使用三相電壓的大型機(jī)械或高功率系統(tǒng)，因此需要使用能夠在高交流輸入電壓下運(yùn)行的低功率電源。

這意味著電源解決方案可能需要提供寬輸入電壓范圍、幾 kV的隔離電壓同時(shí)包含多種保護(hù)功能，例如過壓保護(hù)（OVP）、過流保護(hù)（OCP） 、過溫保護(hù)（OTP） 以及其他保護(hù)機(jī)制。這些設(shè)計(jì)要求可能對(duì)電源解決方案來說是基本的，即使它提供的功率相對(duì)較低僅 1 瓦或 10 瓦。這在與人體直接接觸的應(yīng)用也很重要，例如醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)學(xué)影像應(yīng)用。

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可持續(xù)性與未來展望

如前所述，IoT/IIoT 可以提供前所未有的機(jī)會(huì)，利用海量數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化功耗和通過環(huán)境監(jiān)控進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)等，大幅度減少碳排放以及資本和運(yùn)營(yíng)支出 （CAPEX/OPEX）。但同時(shí)，IoT/IIoT會(huì)在電池等有害物質(zhì)方面造成前所未有的浪費(fèi)，消耗高過于地球能供給的各種貴金屬、稀土材料和有限的氣體。

IoT/IIoT 技術(shù)和能量收集的兼容性是這些市場(chǎng)最令人興奮和最有希望的共生關(guān)系之一，因?yàn)槔硐氲那闆r是傳感器系統(tǒng)可以永久地從周圍環(huán)境自我供電。這不僅能減少要有可靠性的關(guān)鍵路徑物（即是原電池、連接器等），還可以讓不需維護(hù)的「永久」系統(tǒng)一直運(yùn)行下去。

就像生活中最復(fù)雜的問題一樣，這里的關(guān)鍵信息是，沒有一個(gè)絕對(duì)的、簡(jiǎn)單的答案來為解決方案或相關(guān)的業(yè)務(wù)和回報(bào)計(jì)算做解答。如果試圖最大化性能和可持續(xù)性，就必須考慮各種二階因素。

在未來的發(fā)布中，我們將深入探討「虛擬能源」或「從搖籃到墳?zāi)埂股芷诘母拍睿@才是以全面的生命周期來評(píng)估產(chǎn)品的真正足跡（通常是以碳排放和水消耗足跡來衡量） ，而這涵蓋了從原材料采集和制造到產(chǎn)品使用壽命和生產(chǎn)后的處理（即回收、處理有害物質(zhì)等）。

編輯：黃飛