收藏!物联网设备电源设计指南

原创 亚德诺半导体 2024-10-10 18:00


随着物联网设备越来越多地用于工业设备、家居自动化和医疗应用中,通过减小外形尺寸、提高效率、改善电流消耗,或者加快充电时间(对于便携式物联网设备)来优化这些设备的电源管理的压力也越来越大。所有这些都必须以小尺寸实现,既不能影响散热,也不能干扰这些设备实现无线通信。

物联网应用领域存在多种表现形式,它通常是指一种智能联网电子设备,可能由电池供电,并将预先计算的数据发送给基于云的基础设施。它利用嵌入式系统集合体(例如处理器、通信IC和传感器)来收集、响应数据,并将数据发送回网络的中心位置或其他节点。这可以是任何东西,例如简单的温度传感器,用于向中央监控区域报告室温,或者设备健康监测器,用于跟踪监测价格高昂的工厂设备的长期健康状况。


最终,开发这些设备是为了解决特定挑战,无论是为了自动执行通常需要人工干预的任务,比如家居或楼宇自动化,还是在工业物联网应用中提高设备的可用性和使用寿命,如果考虑在基于架构的应用(例如桥梁)中实现状态监控应用,甚至可以提升安全性。


应用示例
物联网设备的应用领域几乎没有止境,每天都会考量新的设备和使用情况。基于智能发射器的应用收集有关其所处环境的数据,以做出控制温度、触发警报或自动执行特定任务的相关决策。此外,煤气表和空气质量测量系统这类便携式仪器可以通过云向控制中心提供准确的测量结果。GPS跟踪定位系统是另一种应用,例如可以通过智能耳标追踪集装箱牲畜(例如奶牛)。这些只是云连接设备中的一小部分,其他领域包括可穿戴医疗健康应用和基础设施检测应用。


工业物联网应用是一个重要的增长领域,它是以智能工厂为中心的第四次工业革命的一部分。许多物联网应用最终都在尝试尽可能实现工厂自动化,无论是通过使用自动导引车(AGV)、智能传感器(例如RF标签或压力表),或者是部署在工厂周围的其他环境传感器。



ADI认为,物联网主要侧重五大领域:

  • 智能健康——支持临床水平和消费者应用的生命体征监测应用。

  • 智能工厂——侧重于通过提高工厂的快速响应能力、使工厂更灵活、更精简,以构建工业4.0。

  • 智能楼宇/智慧城市——利用智能传感技术来执行楼宇安全、车位占用检测,以及实施温度和电气控制。

  • 智能农业——利用现有技术实现自动化农业并提升资源利用效率。

  • 智能基础设施——基于状态监控技术来监测移动和结构健康。


物联网设计挑战

在不断发展的物联网应用领域,设计人员面临哪些主要挑战?这些设备或节点大多数是在事后安装的,或安装在难以接近的位置,因此无法为其供电。这意味着需要完全依赖电池和/或能量收集方式供电。


在大型工厂周围传输电力可能成本高昂。例如,假设要为工厂中的偏远物联网节点供电。如果通过部署新电缆为该设备供电,不仅实施成本高昂,而且极为耗时,所以一般都会选择使用电池或能量收集方式为这些偏远节点供电。


依赖电池供电就需要遵循严格的功率预算,以确保尽可能延长电池寿命,这必然会影响设备的总拥有成本。使用电池的另一个缺点就是在电池报废之后需要更换电池。这包括电池本身的成本,以及更换电池和弃置旧电池的高额人力成本。


另外还要考虑电池的成本和尺寸,这往往会导致对电池过度设计,以确保其拥有足够容量,从而满足电池的使用寿命要求,一般是要求超过10年。但是,过度设计会额外增加电池的成本和尺寸,因此,我们不仅要优化功率预算,还要尽可能减少能源使用,使电池尺寸足够小,同时仍能够满足设计要求。

为了方便讨论,我们将物联网应用中的电源分为以下三种情况,这些电源可以单独使用,或根据应用需要组合使用。
  • 使用不可充电电池(原电池)的设备
  • 需要使用可充电电池的设备
  • 利用能量收集来提供系统电源的设备
原电池应用

大家都知道各种不同的原电池应用,这些也称为不可充电电池应用。主要用于偶尔需要用电的应用,也就是说,设备偶尔通电,然后重新进入深度睡眠模式,所以耗电很少。使用原电池供电的主要优势在于:它提供高电能密度,设计简单(因为无需包含电池充电/管理电路),以及成本较低(因为电池更便宜,所需的电子器件更少)。它们非常适合低成本、低功耗的放电应用,但是,因为这些电池的寿命有限,所以不太适合功耗略高的应用,而更换电池会产生额外的电池成本以及更换电池的人工成本。


想象一下拥有许多节点的大型物联网装置。当您请技术人员现场更换一台设备的电池时,通常会一次性更换所有电池,以节省人工成本。毫无疑问,这是一种浪费,只会加剧全球浪费问题。更重要的一点,不可充电电池只提供了最初制造电池所用电量的2%。约98%的电量浪费使得这种电源的经济效益非常低。


显然,它们在基于物联网的应用中确有一席之地。相对较低的初始成本使其非常适合低功耗应用。它们提供多种类型和尺寸选择,而且无需使用额外的电子器件来进行充电或管理,所以是简单的解决方案。


从设计角度来看,关键挑战在于如何充分利用这些小型电源提供的电力。为此,我们需要花费大量时间来制定功率预算计划,以确保尽量延长电池的使用寿命,设计目标一般是10年。


对于原电池应用,我们可以考虑使用微功耗产品系列中的两款产品:LTC3337 微功耗库仑计数器和 LTC3336 微功耗降压稳压器,如图1所示。


图1.LTC3337和LTC3336应用电路。


LTC3336是一款低功耗DC-DC转换器,输入电压可高达15 V,峰值输出电流可编程。输入可以低至2.5 V,因此非常适合电池供电应用。在空载状态下调节时,静态电流可能非常低,仅65 nA。随着DC-DC转换器不断改进,可轻松设置并用于新设计中。输出电压可根据OUT0至OUT3引脚的连接方式进行编程设置。

LTC3336的配套器件是LTC3337,这是一款微功耗原电池健康状态监视器和库仑计数器。这是另一款可轻松用于新设计的产品,只需按照峰值电流要求(在5 mA至100 mA范围内)连接IPK引脚。根据选定的电池进行一些计算,然后填入基于选择的峰值电流推荐的输出电容,具体参见数据手册。


最终,为功率预算有限的物联网应用找出合适的配套设备。这些产品能够准确监测原电池的电量使用情况,并将输出高效转换为可用的系统电压。

可充电电池应用

现在,我们来看看可充电应用。对于需要更高功率或更高放电的物联网应用,原电池更换频率显然不合适,可充电电池将是一个不错的选择。电池的初始成本以及充电电路使可充电电池应用的成本更高,但在需要频繁放电和充电的高放电应用中,这种成本是合理的,很快能实现回本。


根据所使用的化学物质,可充电电池应用的初始电量可能比原电池低,但从长远来看,效率更高,总体来说,浪费更少。根据电力需求,还可以选择电容或超级电容存储,但它们更多用于短期后备存储。


根据所使用的化学物质,电池充电涉及几种不同的模式和工作特性。例如,图2中显示的锂离子电池的充电特性曲线。底部为电池电压,纵轴表示充电电流。


图2.充电电流与电池电压的关系。

当电池严重放电时,如图2左侧所示,充电器需要具有足够智能,让电池进入预充电模式,使电池电压缓慢增加到安全水平,然后进入恒流模式。在恒流模式下,充电器将设定的电流输入电池,直到电池电压升至设定的浮充电压。


设定的电流和电压均取决于所用的电池类型,充电电流受充电速率和所需的充电时间限制,浮充电压则基于保持电池安全的阈值。系统设计人员可以根据系统需要,通过稍微降低浮充电压来帮助延长电池的使用寿命,与针对电源的考量一样,就是进行权衡和取舍。达到浮充电压之后,充电电流会降至零,并且会根据终止算法使该电压保持一段时间。


图3显示了3电池应用随时间变化的行为特性曲线。红色线条表示电池电压,蓝色线条表示充电电流。它在恒流模式下启动,最高电流达2 A,直至电池电压达到12.6 V恒压阈值。充电器在终止定时器定义的时长内保持此电压,在本例中,时长为4个小时。许多充电器产品都支持编程设置该时间。

图3.充电电压/电流与时间的关系。


图4显示了一个不错的多功能降压型电池充电器( LTC4162)示例,它可以提供高达3.2 A充电电流,适合用于多种应用,包括便携式仪器仪表和需要更大电池或电池组的应用。它也可用于从太阳能充电。

图4.LTC4162:3.2 A降压型电池充电器。

能量收集应用
在使用物联网应用和其电源时,另一个可以考虑的选项是能源收集。当然,对于系统设计人员来说,需要考虑多方面因素,但免费能源的吸引力不能低估,尤其是电源要求不太严格且安装位置不能触及(即技术维修人员接触不到)的应用。


有许多不同的能源可供选择,也并非一定是户外应用才使用这种方式。太阳能以及压电或振动能量、热电能,甚至RF能量都是可以收集的(虽然其功率电平很低)。图5显示使用不同收集方法时相应的电能水平。
图5.能源和可用于各种应用的大致电能水平。

至于缺点,与之前讨论的其他电源相比,其初始成本更高,因为需要使用收集元件,例如太阳能电池板、压电接收器或珀尔帖效应元件,以及电能转换IC和相关的使能组件。另一个缺点是解决方案的整体尺寸更大,特别是与纽扣电池这样的电源相比。使用能量收集器和转换IC时,很难实现小型解决方案。


在效率方面,管理低电能水平也是一个难题。因为许多电源都是交流电源,所以需要整流。我们使用二极管来实现整流。设计人员必须考虑其本身特性导致的电能损失。在增大输入电压的情况下,这种影响会减弱,但并非始终如此。


大多数能量收集讨论中使用的器件来自 ADP509x 产品系列和 LTC3108,它支持广泛的能量收集来源,提供多条电源路径和可编程充电管理选项,可以提供极高的设计灵活性。可以使用多种能源为ADP509x供电,但也可以从电源中提取电能,用于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(从可穿戴应用的人体热量或发动机热量中提取热能),任何能量来源都可用于为物联网节点供电。此外还可以从压电电源中获取电能,这增加了另一层灵活性,也是一种很不错的方式,(例如)可以从运行的电机中提取电能。

图6.能量收集应用中 ADP5090 的功能框图。

另一个能够通过压电电源供电的器件是 ADP5304,它以较低的静态电流(空载状态下一般为260 nA)运行,非常适合低功耗能量收集应用。数据手册中展示了一个典型的能量收集应用电路(参见图7),该电路由压电电源供电,用于为ADC或RF IC供电。


图7.ADP5304压电电源应用电路。

电能管理
在讨论功率预算有限的应用时,还应当考虑电能管理。在查看不同的电源管理解决方案之前,首先要针对应用执行功率预算计算。这个步骤很重要,可以帮助系统设计人员了解系统中使用的重要组件,以及它们分别需要多少电能。这会影响他们的决定,是选择原电池、可充电电池、能量收集,还是将这些选项组合使用。


在研究电能管理时,物联网设备收集信号并将其发送回中央系统或云端的频率是另一个重要因素,它对整体功耗有很大影响。一种常见手段是调整电源使用的占空比,或者延长唤醒设备使其收集和/或发送数据的时间间隔。


在尝试管理系统电能使用情况时,对每个电子设备使用待机模式(如果提供)也是一种非常有用的工具。

结论

与所有电子应用一样,尽早考虑电路的电源管理部分很重要。这在电源受限的应用(例如物联网)中更加重要。在设计阶段尽早制定功率预算有助于系统设计人员确定有效的路径和合适的设备,以应对这些应用带来的挑战,同时仍能够以小尺寸解决方案实现高能效。




👇点击探索ADI“芯”世界

·
·


亚德诺半导体 Analog Devices, Inc.(简称ADI)始终致力于设计与制造先进的半导体产品和优秀解决方案,凭借杰出的传感、测量和连接技术,搭建连接真实世界和数字世界的智能化桥梁,从而帮助客户重新认识周围的世界。
评论
  • 2024年是很平淡的一年,能保住饭碗就是万幸了,公司业绩不好,跳槽又不敢跳,还有一个原因就是老板对我们这些员工还是很好的,碍于人情也不能在公司困难时去雪上加霜。在工作其间遇到的大问题没有,小问题还是有不少,这里就举一两个来说一下。第一个就是,先看下下面的这个封装,你能猜出它的引脚间距是多少吗?这种排线座比较常规的是0.6mm间距(即排线是0.3mm间距)的,而这个规格也是我们用得最多的,所以我们按惯性思维来看的话,就会认为这个座子就是0.6mm间距的,这样往往就不会去细看规格书了,所以这次的运气
    wuliangu 2025-01-21 00:15 186浏览
  • Ubuntu20.04默认情况下为root账号自动登录,本文介绍如何取消root账号自动登录,改为通过输入账号密码登录,使用触觉智能EVB3568鸿蒙开发板演示,搭载瑞芯微RK3568,四核A55处理器,主频2.0Ghz,1T算力NPU;支持OpenHarmony5.0及Linux、Android等操作系统,接口丰富,开发评估快人一步!添加新账号1、使用adduser命令来添加新用户,用户名以industio为例,系统会提示设置密码以及其他信息,您可以根据需要填写或跳过,命令如下:root@id
    Industio_触觉智能 2025-01-17 14:14 122浏览
  •     IPC-2581是基于ODB++标准、结合PCB行业特点而指定的PCB加工文件规范。    IPC-2581旨在替代CAM350格式,成为PCB加工行业的新的工业规范。    有一些免费软件,可以查看(不可修改)IPC-2581数据文件。这些软件典型用途是工艺校核。    1. Vu2581        出品:Downstream     
    电子知识打边炉 2025-01-22 11:12 53浏览
  • 高速先生成员--黄刚这不马上就要过年了嘛,高速先生就不打算给大家上难度了,整一篇简单但很实用的文章给大伙瞧瞧好了。相信这个标题一出来,尤其对于PCB设计工程师来说,心就立马凉了半截。他们辛辛苦苦进行PCB的过孔设计,高速先生居然说设计多大的过孔他们不关心!另外估计这时候就跳出很多“挑刺”的粉丝了哈,因为翻看很多以往的文章,高速先生都表达了过孔孔径对高速性能的影响是很大的哦!咋滴,今天居然说孔径不关心了?别,别急哈,听高速先生在这篇文章中娓娓道来。首先还是要对各位设计工程师的设计表示肯定,毕竟像我
    一博科技 2025-01-21 16:17 101浏览
  • 随着消费者对汽车驾乘体验的要求不断攀升,汽车照明系统作为确保道路安全、提升驾驶体验以及实现车辆与环境交互的重要组成,日益受到业界的高度重视。近日,2024 DVN(上海)国际汽车照明研讨会圆满落幕。作为照明与传感创新的全球领导者,艾迈斯欧司朗受邀参与主题演讲,并现场展示了其多项前沿技术。本届研讨会汇聚来自全球各地400余名汽车、照明、光源及Tier 2供应商的专业人士及专家共聚一堂。在研讨会第一环节中,艾迈斯欧司朗系统解决方案工程副总裁 Joachim Reill以深厚的专业素养,主持该环节多位
    艾迈斯欧司朗 2025-01-16 20:51 198浏览
  • 数字隔离芯片是一种实现电气隔离功能的集成电路,在工业自动化、汽车电子、光伏储能与电力通信等领域的电气系统中发挥着至关重要的作用。其不仅可令高、低压系统之间相互独立,提高低压系统的抗干扰能力,同时还可确保高、低压系统之间的安全交互,使系统稳定工作,并避免操作者遭受来自高压系统的电击伤害。典型数字隔离芯片的简化原理图值得一提的是,数字隔离芯片历经多年发展,其应用范围已十分广泛,凡涉及到在高、低压系统之间进行信号传输的场景中基本都需要应用到此种芯片。那么,电气工程师在进行电路设计时到底该如何评估选择一
    华普微HOPERF 2025-01-20 16:50 73浏览
  • 嘿,咱来聊聊RISC-V MCU技术哈。 这RISC-V MCU技术呢,简单来说就是基于一个叫RISC-V的指令集架构做出的微控制器技术。RISC-V这个啊,2010年的时候,是加州大学伯克利分校的研究团队弄出来的,目的就是想搞个新的、开放的指令集架构,能跟上现代计算的需要。到了2015年,专门成立了个RISC-V基金会,让这个架构更标准,也更好地推广开了。这几年啊,这个RISC-V的生态系统发展得可快了,好多公司和机构都加入了RISC-V International,还推出了不少RISC-V
    丙丁先生 2025-01-21 12:10 112浏览
  • 临近春节,各方社交及应酬也变得多起来了,甚至一月份就排满了各式约见。有的是关系好的专业朋友的周末“恳谈会”,基本是关于2025年经济预判的话题,以及如何稳定工作等话题;但更多的预约是来自几个客户老板及副总裁们的见面,他们为今年的经济预判与企业发展焦虑而来。在聊天过程中,我发现今年的聊天有个很有意思的“点”,挺多人尤其关心我到底是怎么成长成现在的多领域风格的,还能掌握一些经济趋势的分析能力,到底学过哪些专业、在企业管过哪些具体事情?单单就这个一个月内,我就重复了数次“为什么”,再辅以我上次写的:《
    牛言喵语 2025-01-22 17:10 41浏览
  • 日前,商务部等部门办公厅印发《手机、平板、智能手表(手环)购新补贴实施方案》明确,个人消费者购买手机、平板、智能手表(手环)3类数码产品(单件销售价格不超过6000元),可享受购新补贴。每人每类可补贴1件,每件补贴比例为减去生产、流通环节及移动运营商所有优惠后最终销售价格的15%,每件最高不超过500元。目前,京东已经做好了承接手机、平板等数码产品国补优惠的落地准备工作,未来随着各省市关于手机、平板等品类的国补开启,京东将第一时间率先上线,满足消费者的换新升级需求。为保障国补的真实有效发放,基于
    华尔街科技眼 2025-01-17 10:44 221浏览
  • 现在为止,我们已经完成了Purple Pi OH主板的串口调试和部分配件的连接,接下来,让我们趁热打铁,完成剩余配件的连接!注:配件连接前请断开主板所有供电,避免敏感电路损坏!1.1 耳机接口主板有一路OTMP 标准四节耳机座J6,具备进行音频输出及录音功能,接入耳机后声音将优先从耳机输出,如下图所示:1.21.2 相机接口MIPI CSI 接口如上图所示,支持OV5648 和OV8858 摄像头模组。接入摄像头模组后,使用系统相机软件打开相机拍照和录像,如下图所示:1.3 以太网接口主板有一路
    Industio_触觉智能 2025-01-20 11:04 150浏览
  •  万万没想到!科幻电影中的人形机器人,正在一步步走进我们人类的日常生活中来了。1月17日,乐聚将第100台全尺寸人形机器人交付北汽越野车,再次吹响了人形机器人疯狂进厂打工的号角。无独有尔,银河通用机器人作为一家成立不到两年时间的创业公司,在短短一年多时间内推出革命性的第一代产品Galbot G1,这是一款轮式、双臂、身体可折叠的人形机器人,得到了美团战投、经纬创投、IDG资本等众多投资方的认可。作为一家成立仅仅只有两年多时间的企业,智元机器人也把机器人从梦想带进了现实。2024年8月1
    刘旷 2025-01-21 11:15 399浏览
  •  光伏及击穿,都可视之为 复合的逆过程,但是,复合、光伏与击穿,不单是进程的方向相反,偏置状态也不一样,复合的工况,是正偏,光伏是零偏,击穿与漂移则是反偏,光伏的能源是外来的,而击穿消耗的是结区自身和电源的能量,漂移的载流子是 客席载流子,须借外延层才能引入,客席载流子 不受反偏PN结的空乏区阻碍,能漂不能漂,只取决于反偏PN结是否处于外延层的「射程」范围,而穿通的成因,则是因耗尽层的过度扩张,致使跟 端子、外延层或其他空乏区 碰触,当耗尽层融通,耐压 (反向阻断能力) 即告彻底丧失,
    MrCU204 2025-01-17 11:30 182浏览
  • 本文介绍瑞芯微开发板/主板Android配置APK默认开启性能模式方法,开启性能模式后,APK的CPU使用优先级会有所提高。触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。源码修改修改源码根目录下文件device/rockchip/rk3562/package_performance.xml并添加以下内容,注意"+"号为添加内容,"com.tencent.mm"为AP
    Industio_触觉智能 2025-01-17 14:09 164浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦