【導讀】本文探討了物聯(lián)網(wǎng)電池技術(shù)。它描述了設計人員在電源方面面臨的一些問(wèn)題，并提供了 Analog Devices 的解決方案。這些解決方案非常高效，可以幫助解決物聯(lián)網(wǎng)設備中的其他問(wèn)題，包括尺寸、重量和溫度。
本文探討了物聯(lián)網(wǎng)電池技術(shù)。它描述了設計人員在電源方面面臨的一些問(wèn)題，并提供了 Analog Devices 的解決方案。這些解決方案非常高效，可以幫助解決物聯(lián)網(wǎng)設備中的其他問(wèn)題，包括尺寸、重量和溫度。
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)設備在工業(yè)設備、家庭自動(dòng)化和醫療應用中的使用越來(lái)越多，優(yōu)化這些設備的電源管理部分的壓力越來(lái)越大——要么通過(guò)減小尺寸、提高效率、改善電流消耗，要么加快充電時(shí)間。所有這些都必須以小尺寸的形式實(shí)現，既不會(huì )對散熱產(chǎn)生負面影響，也不會(huì )干擾這些設備實(shí)現的無(wú)線(xiàn)通信。
什么是物聯(lián)網(wǎng)？
這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域有許多不同的形式。它通常指的是一種智能的、聯(lián)網(wǎng)的電子設備，可能由電池供電，并將預先計算的數據發(fā)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組合來(lái)收集、響應數據并將數據發(fā)送回網(wǎng)絡(luò )中的中心點(diǎn)或其他節點(diǎn)。這可以是任何東西，從室溫的簡(jiǎn)單溫度傳感器到中央監控區域一直到跟蹤非常昂貴的工廠(chǎng)設備的長(cháng)期性能數據的機器健康監視器。
終，開(kāi)發(fā)這些設備是為了解決特定的挑戰，無(wú)論是自動(dòng)化通常需要人工干預的任務(wù)，如家庭或樓宇自動(dòng)化，還是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用中提高設備的可用性和壽命，或者如果您考慮在基于結構的應用程序（例如橋梁）中實(shí)施基于狀態(tài)的監控應用程序，甚至可以提高安全性。
示例應用程序
物聯(lián)網(wǎng)設備的應用領(lǐng)域幾乎是無(wú)窮無(wú)盡的?；谥悄馨l(fā)射器的應用程序收集有關(guān)它們所在環(huán)境的數據，以做出有關(guān)控制熱量、觸發(fā)警報或自動(dòng)執行任務(wù)的決策。此外，燃氣表和空氣質(zhì)量測量系統等便攜式儀器可通過(guò)云向控制中心提供準確的測量結果。GPS 跟蹤系統是另一種應用。它們允許通過(guò)智能耳標跟蹤集裝箱和牲畜。這些只是云連接設備的一小部分。其他領(lǐng)域包括可穿戴醫療保健和基礎設施傳感應用。
一個(gè)重要的增長(cháng)領(lǐng)域是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用，它是第四次工業(yè)革命的一部分。物聯(lián)網(wǎng)應用范圍廣泛，終都在嘗試盡可能多地實(shí)現工廠(chǎng)自動(dòng)化，無(wú)論是通過(guò)使用自動(dòng)導引車(chē)、射頻標簽或壓力計等智能傳感器，還是放置在工廠(chǎng)周?chē)钠渌h(huán)境傳感器。工廠(chǎng)。
從 ADI 的角度來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)的重點(diǎn)在五個(gè)主要領(lǐng)域：
智能健康：支持臨床層面和消費者應用的生命體征監測應用
智能工廠(chǎng)：通過(guò)使工廠(chǎng)響應更快、更靈活、更精簡(jiǎn)，專(zhuān)注于構建工業(yè) 4.0
智能建筑/智能城市：使用智能傳感實(shí)現建筑安全、停車(chē)位占用檢測以及熱電控制
智能農業(yè)：利用現有技術(shù)實(shí)現自動(dòng)化農業(yè)和資源利用效率
智能基礎設施：基于我們基于狀態(tài)的監測技術(shù)來(lái)監測運動(dòng)和結構健康
有關(guān)這些重點(diǎn)領(lǐng)域和支持它們的可用技術(shù)的更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)analog.com/IoT。
物聯(lián)網(wǎng)設計挑戰
在不斷增長(cháng)的物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域，設計師面臨的主要挑戰是什么？大多數這些設備或節點(diǎn)都是事后安裝或安裝在難以到達的區域，因此不可能為它們供電。當然，這意味著(zhù)它們完全依賴(lài)電池和/或能量收集作為電源。
在大型設施周?chē)苿?dòng)電力可能非常昂貴。例如，考慮為工廠(chǎng)中的遠程物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)供電。運行新電源線(xiàn)為該設備供電的想法既昂貴又耗時(shí)，這基本上使電池供電或能量收集成為為這些遠程節點(diǎn)供電的剩余選項。
對電池電源的依賴(lài)需要遵循嚴格的功率預算，以確保電池的使用壽命化，這當然會(huì )對設備的總擁有成本產(chǎn)生影響。使用電池的另一個(gè)缺點(diǎn)是在電池壽命到期后需要更換電池。這不僅包括電池本身的成本，還包括更換和可能處置舊電池的潛在高昂人力成本。
關(guān)于電池成本和尺寸的額外考慮因素：很容易過(guò)度設計電池以確保有足夠的容量來(lái)達到通常超過(guò) 10 年的使用壽命要求。然而，過(guò)度設計會(huì )導致額外的成本和尺寸，因此不僅要優(yōu)化功率預算，還要盡可能減少能源使用，以安裝仍能滿(mǎn)足您的設計要求的盡可能小的電池，這一點(diǎn)非常重要。
物聯(lián)網(wǎng)的力量
出于本次電源討論的目的，物聯(lián)網(wǎng)應用的電源可分為三種情況：
依賴(lài)不可充電電池供電的設備（原電池）
需要充電電池的設備
利用能量收集來(lái)提供系統電源的設備
如果應用程序需要，這些源可以單獨使用或組合使用。
原電池應用
不可充電電池應用適用于僅偶爾使用電源的應用——也就是說(shuō)，設備偶爾會(huì )在返回深度睡眠模式之前通電，在該模式下它消耗的電量少。使用它作為電源的主要優(yōu)點(diǎn)是它提供高能量密度和更簡(jiǎn)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產(chǎn)品。它們非常適合低成本、低功耗應用。但是，由于電池的使用壽命有限，因此不太適合功耗稍高的應用。
考慮具有許多節點(diǎn)的大型 IoT 安裝。由于您有一名技術(shù)人員在現場(chǎng)為一臺設備更換電池，因此通常會(huì )更換所有電池以節省人工成本。當然，這是一種浪費，只會(huì )加劇浪費問(wèn)題。重要的是，不可充電電池僅提供初制造它們所用電量的 2% 左右。約 98% 的能源浪費使它們成為非常不經(jīng)濟的電源。
顯然，這些在基于物聯(lián)網(wǎng)的應用程序中確實(shí)占有一席之地。它們相對較低的初始成本使其成為低功耗應用的理想選擇。有許多不同的類(lèi)型和尺寸可供選擇，并且由于它們不需要太多額外的電子設備來(lái)進(jìn)行充電或管理，因此它們是一種簡(jiǎn)單的解決方案。
從設計的角度來(lái)看，關(guān)鍵的挑戰是充分利用這些電源提供的能量。為此，制定功率預算計劃以確保電池壽命化非常重要，10 年是常見(jiàn)的壽命目標。
對于原電池應用，ADI 毫微功耗系列產(chǎn)品中的兩個(gè)部分值得考慮：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。
LTC3336 是一款低功率 DC-DC 轉換器，輸入電壓高達 15V，具有可編程峰值輸出電流電平。輸入電壓可低至 2.5 V，非常適合電池供電應用。
在無(wú)負載情況下進(jìn)行調節時(shí)，靜態(tài)電流極低，僅為 65nA。隨著(zhù) DC-DC 轉換器的發(fā)展，這很容易在新設計中設置和使用。輸出電壓根據 OUT0 至 OUT3 引腳的連接方式進(jìn)行編程。
LTC3336 的配套器件是 LTC3337，這是一款納瓦級原電池健康狀態(tài)監視器和庫侖計數器。這是另一種易于在新設計中使用的器件——只需根據所需的峰值電流（在 5 mA 至 100 mA 范圍內）連接 IPK 引腳即可。根據您選擇的電池運行一些計算，然后根據數據表中注明的所選峰值電流填充推薦的輸出上限。
終，這是一對適用于功率預算有限的物聯(lián)網(wǎng)應用的設備。這些部件既可以準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。
圖 1：LTC3337 和 LTC3336 應用電路
充電電池應用
讓我們繼續討論可充電應用。對于無(wú)法選擇電池更換頻率的更高功率或更高耗電的物聯(lián)網(wǎng)應用，這些是不錯的選擇。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(shí)施方案，但在電池經(jīng)常耗盡和充電的高耗電應用中，成本是合理的并且很快就能收回成本。
根據所使用的化學(xué)物質(zhì)，可充電電池應用的初始能量可能低于原電池，但從長(cháng)遠來(lái)看，它是更高效的選擇，總體上浪費更少。根據電力需求，另一種選擇是電容器或超級電容器存儲，但這些更適合短期備用存儲。
電池充電涉及多種不同的模式和配置文件，具體取決于所使用的化學(xué)物質(zhì)。例如，鋰離子電池充電曲線(xiàn)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
圖 3：充電電壓/電流與時(shí)間的關(guān)系
當電池嚴重放電時(shí)，如圖 2 左側所示，充電器需要足夠聰明，將其置于預充電模式，以便在進(jìn)入恒流模式之前將電池電壓緩慢升高至安全水平。
在恒流模式下，充電器將設定的電流推入電池，直到電池電壓升至設定的浮動(dòng)電壓。
編程電流和電壓均由所使用的電池類(lèi)型定義——充電電流受 C 倍率和所需充電時(shí)間的限制，浮動(dòng)電壓基于對電池安全的電壓。如果系統需要，系統設計人員可以稍微降低浮動(dòng)電壓以幫助延長(cháng)電池壽命。
當達到浮動(dòng)電壓時(shí)，充電電流降至零，并且該電壓會(huì )根據終止算法維持一段時(shí)間。
圖 3 為三單元應用程序提供了不同的圖表，顯示了隨時(shí)間變化的行為。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(dòng)，電流為 2 A，直到電池電壓達到 12.6 V 恒壓閾值。充電器在終止計時(shí)器定義的時(shí)間長(cháng)度內保持此電壓——在本例中為四小時(shí)窗口。這個(gè)時(shí)間在許多充電器部件上是可編程的。
有關(guān)電池充電以及一些有趣產(chǎn)品的更多信息，請閱讀模擬對話(huà)文章“適用于任何化學(xué)物質(zhì)的簡(jiǎn)單電池充電器 IC ”。
圖 4 顯示了多功能降壓電池充電器 LTC4162 的示例，它可以提供高達 3.2 A 的充電電流，適用于一系列應用，包括便攜式儀器和需要更大電池或多節電池的應用。它還可以用于從太陽(yáng)能充電。
圖 4：LTC4162，一款 3.2A 降壓電池充電器
能量收集應用
在使用 IoT 應用程序及其電源時(shí)，另一個(gè)需要考慮的選項是能量收集。系統設計人員有幾個(gè)考慮因素，但不能低估自由能源的吸引力，特別是對于功率要求不是太苛刻且安裝需要不干涉的應用——即沒(méi)有服務(wù)技術(shù)人員可以得到它。
有許多不同的能源可供選擇，而且它們不需要是戶(hù)外應用來(lái)利用它們?？梢允占?yáng)能以及壓電或振動(dòng)能、熱電能，甚至射頻能。
圖 5：可用于各種應用的能源和近似水平
圖 5 提供了使用不同收集方法時(shí)的近似能量水平。
至于缺點(diǎn)，與之前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(yáng)能電池板、壓電接收器或珀耳帖元件，以及能量轉換 IC 和相關(guān)的啟用組件。
另一個(gè)缺點(diǎn)是整體解決方案的尺寸，特別是與紐扣電池等電源相比時(shí)。使用能量收集器和轉換 IC 很難實(shí)現較小的解決方案尺寸。
在效率方面，這可能是管理低能量水平的一個(gè)棘手問(wèn)題。這是因為很多電源都是交流電，所以需要整流。二極管用于執行此操作。設計人員必須處理由其固有屬性導致的能量損失。當您增加輸入電壓時(shí)，這種影響會(huì )減輕，但這并不總是可能的。
大多數能量收集討論中出現的器件來(lái)自 ADP509x 系列產(chǎn)品和 LTC3108，LTC3108可容納范圍廣泛的能量收集源，具有多個(gè)電源路徑和可編程充電管理選項，可提供的設計靈活性。多種能源可用于為 ADP509x 供電，也可從該電源提取能量以為電池充電或為系統負載供電。從太陽(yáng)能（室內和室外）到熱電發(fā)電機，從可穿戴應用中的體熱或發(fā)動(dòng)機熱量中提取熱能的任何東西都可以用來(lái)為物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)供電。另一種選擇是從壓電源獲取能量，這增加了另一層靈活性——這是從運行中的電機中提取能量的不錯選擇。
圖 6：采集應用中的ADP5090框圖
另一種能夠由壓電電源供電的器件是 ADP5304，它以極低的靜態(tài)電流（無(wú)負載時(shí)典型值為 260 nA）工作，非常適合低功耗能量收集應用。該數據表共享一個(gè)典型的能量收集應用電路（見(jiàn)圖 7），由壓電電源供電并用于為 ADC 或 RF IC 供電。
能源管理
與功率預算有限的應用相關(guān)的任何討論都應該包括的另一個(gè)領(lǐng)域是能源管理。在查看不同的電源管理解決方案之前，首先要為應用開(kāi)發(fā)功率預算計算。這一重要步驟可幫助系統設計人員了解系統中使用的關(guān)鍵組件以及它們需要多少能量。這會(huì )影響他們選擇電池、可充電電池、能量收集或這些的組合作為電源方法的決定。
物聯(lián)網(wǎng)設備收集信號并將其發(fā)送回中央系統或云端的頻率是能源管理的另一個(gè)重要細節，它對整體功耗有很大影響。一種常見(jiàn)的技術(shù)是對電源使用進(jìn)行占空比或延長(cháng)喚醒設備以收集和/或發(fā)送數據之間的時(shí)間。
在嘗試管理系統能源使用時(shí)，在每個(gè)電子設備上使用待機模式（如果可用）也是一個(gè)有用的工具。
圖 7：ADP5304 壓電源應用電路
結論
對于所有電子應用，盡早考慮電路的電源管理部分很重要。這在物聯(lián)網(wǎng)等功耗受限的應用中更為重要。在此過(guò)程的早期制定功率預算可以幫助系統設計人員確定有效的路徑和合適的設備，以應對這些應用帶來(lái)的挑戰，同時(shí)仍然以較小的解決方案尺寸實(shí)現高能效。
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