【導讀】本文探討物聯網(IoT)電池技術。將描述設計人員麵臨的一些電源問題，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。

隨著物聯網設備越來越多地用於工業設備、家居自動化和醫療應用中
，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（對於便攜式物聯網設備）來優化這些設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，既不能影響散熱
，也不能幹擾這些設備實現無線通信。

什麼是物聯網？

這(zhe)個(ge)特(te)定(ding)的(de)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)存(cun)在(zai)多(duo)種(zhong)表(biao)現(xian)形(xing)式(shi)。它(ta)通(tong)常(chang)是(shi)指(zhi)一(yi)種(zhong)智(zhi)能(neng)聯(lian)網(wang)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)，可(ke)能(neng)由(you)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)，並(bing)將(jiang)預(yu)先(xian)計(ji)算(suan)的(de)數(shu)據(ju)發(fa)送(song)給(gei)基(ji)於(yu)雲(yun)的(de)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)。它(ta)利(li)用(yong)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)集(ji)合(he)體(ti)（例如處理器
、通信IC和傳感器）來收集、xiangyingshuju
，bingjiangshujufasonghuiwangluodezhongxinweizhihuoqitajiedian。zhekeyishirenhedongxi
，lirujiandandewenduchuanganqi，yongyuxiangzhongyangjiankongquyubaogaoshiwen，huozheshebeijiankangjianceqi
，yongyugenzongjiancejiagegaoangdegongchangshebeidechangqijiankangzhuangkuang。

zuizhong，kaifazhexieshebeishiweilejiejuetedingtiaozhan，wulunshiweilezidongzhixingtongchangxuyaorengongganyuderenwu，birujiajuhuolouyuzidonghua，haishizaigongyewulianwangyingyongzhongtigaoshebeidekeyongxingheshiyongshouming，ruguokaolvzaijiyujiagoudeyingyong（例如橋梁）中實現狀態監控應用，甚至可以提升安全性。

應用示例

物(wu)聯(lian)網(wang)設(she)備(bei)的(de)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)幾(ji)乎(hu)沒(mei)有(you)止(zhi)境(jing)

，每(mei)天(tian)都(dou)會(hui)考(kao)量(liang)新(xin)的(de)設(she)備(bei)和(he)使(shi)用(yong)情(qing)況(kuang)。基(ji)於(yu)智(zhi)能(neng)發(fa)射(she)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)收(shou)集(ji)有(you)關(guan)其(qi)所(suo)處(chu)環(huan)境(jing)的(de)數(shu)據(ju)，以(yi)做(zuo)出(chu)控(kong)製(zhi)溫(wen)度(du)
、觸chu發fa警jing報bao或huo自zi動dong執zhi行xing特te定ding任ren務wu的de相xiang關guan決jue策ce。此ci外wai，煤mei氣qi表biao和he空kong氣qi質zhi量liang測ce量liang係xi統tong這zhe類lei便bian攜xie式shi儀yi器qi可ke以yi通tong過guo雲yun向xiang控kong製zhi中zhong心xin提ti供gong準zhun確que的de測ce量liang結jie果guo。GPS跟蹤定位係統是另一種應用。例如可以通過智能耳標追蹤集裝箱牲畜（例如奶牛）。這些隻是雲連接設備中的一小部分。其他領域包括可穿戴醫療健康應用和基礎設施檢測應用。

工gong業ye物wu聯lian網wang應ying用yong是shi一yi個ge重zhong要yao的de增zeng長chang領ling域yu，它ta是shi以yi智zhi能neng工gong廠chang為wei中zhong心xin的de第di四si次ci工gong業ye革ge命ming的de一yi部bu分fen。許xu多duo物wu聯lian網wang應ying用yong最zui終zhong都dou在zai嚐chang試shi盡jin可ke能neng實shi現xian工gong廠chang自zi動dong化hua，無wu論lun是shi通tong過guo使shi用yong自zi動dong導dao引yin車che(AGV)
、智能傳感器（例如RF標簽或壓力表），或者是部署在工廠周圍的其他環境傳感器。

ADI公司認為，物聯網主要側重五大領域：

●    智能健康——支持臨床水平和消費者應用的生命體征監測應用。

●    智能工廠——側重於通過提高工廠的快速響應能力、使工廠更靈活
、更精簡，以構建工業4.0。

●    智能樓宇/智慧城市——利用智能傳感技術來執行樓宇安全、車位占用檢測，以及實施溫度和電氣控製。

●    智能農業——利用現有技術實現自動化農業並提升資源利用效率。

●    智能基礎設施——基於狀態監控技術來監測移動和結構健康。

有關這些關注領域以及現有相關支持技術的更多信息，請訪問 analog.com/IoT。

物聯網設計挑戰

在zai不bu斷duan發fa展zhan的de物wu聯lian網wang應ying用yong領ling域yu，設she計ji人ren員yuan麵mian臨lin哪na些xie主zhu要yao挑tiao戰zhan？這zhe些xie設she備bei或huo節jie點dian大da多duo數shu是shi在zai事shi後hou安an裝zhuang的de，或huo安an裝zhuang在zai難nan以yi接jie近jin的de位wei置zhi，因yin此ci無wu法fa為wei其qi供gong電dian。這zhe意yi味wei著zhe需xu要yao完wan全quan依yi賴lai電dian池chi和he/或能量收集方式供電。

zaidaxinggongchangzhouweichuanshudianlikenengchengbengaoang。liru

，jiasheyaoweigongchangzhongdepianyuanwulianwangjiediangongdian。ruguotongguobushuxindianlanweigaishebeigongdian

，bujinshishichengbengaoang，erqiejiweihaoshi，suoyiyibandouhuixuanzeshiyongdianchihuonengliangshoujifangshiweizhexiepianyuanjiediangongdian。

依(yi)賴(lai)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)就(jiu)需(xu)要(yao)遵(zun)循(xun)嚴(yan)格(ge)的(de)功(gong)率(lv)預(yu)算(suan)
，以(yi)確(que)保(bao)盡(jin)可(ke)能(neng)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)
，這(zhe)必(bi)然(ran)會(hui)影(ying)響(xiang)設(she)備(bei)的(de)總(zong)擁(yong)有(you)成(cheng)本(ben)。使(shi)用(yong)電(dian)池(chi)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)缺(que)點(dian)就(jiu)是(shi)在(zai)電(dian)池(chi)報(bao)廢(fei)之(zhi)後(hou)需(xu)要(yao)更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)。這(zhe)包(bao)括(kuo)電(dian)池(chi)本(ben)身(shen)的(de)成(cheng)本(ben)
，以(yi)及(ji)更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)和(he)棄(qi)置(zhi)舊(jiu)電(dian)池(chi)的(de)高(gao)額(e)人(ren)力(li)成(cheng)本(ben)。

另(ling)外(wai)還(hai)要(yao)考(kao)慮(lv)電(dian)池(chi)的(de)成(cheng)本(ben)和(he)尺(chi)寸(cun)，這(zhe)往(wang)往(wang)會(hui)導(dao)致(zhi)對(dui)電(dian)池(chi)過(guo)度(du)設(she)計(ji)，以(yi)確(que)保(bao)其(qi)擁(yong)有(you)足(zu)夠(gou)容(rong)量(liang)，從(cong)而(er)滿(man)足(zu)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)要(yao)求(qiu)，一(yi)般(ban)是(shi)要(yao)求(qiu)超(chao)過(guo)10nian。danshi，guodushejihuiewaizengjiadianchidechengbenhechicun，yinci
，womenbujinyaoyouhuagonglvyusuan

，haiyaojinkenengjianshaonengyuanshiyong，shidianchichicunzugouxiao

，tongshirengnenggoumanzushejiyaoqiu。

物聯網供電

為了方便討論，我們將物聯網應用中的電源分為以下三種情況：

●    使用不可充電電池（原電池）的設備

●    需要使用可充電電池的設備

●    利用能量收集來提供係統電源的設備

這些電源可以單獨使用，或根據應用需要組合使用。

原電池應用

大(da)家(jia)都(dou)知(zhi)道(dao)各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)原(yuan)電(dian)池(chi)應(ying)用(yong)
，這(zhe)些(xie)也(ye)稱(cheng)為(wei)不(bu)可(ke)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)應(ying)用(yong)。主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)偶(ou)爾(er)需(xu)要(yao)用(yong)電(dian)的(de)應(ying)用(yong)，也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)
，設(she)備(bei)偶(ou)爾(er)通(tong)電(dian)
，然(ran)後(hou)重(zhong)新(xin)進(jin)入(ru)深(shen)度(du)睡(shui)眠(mian)模(mo)式(shi)
，所(suo)以(yi)耗(hao)電(dian)很(hen)少(shao)。使(shi)用(yong)原(yuan)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)主(zhu)要(yao)優(you)勢(shi)在(zai)於(yu)：它提供高電能密度
，設計簡單（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(di)功(gong)耗(hao)的(de)放(fang)電(dian)應(ying)用(yong)，但(dan)是(shi)
，因(yin)為(wei)這(zhe)些(xie)電(dian)池(chi)的(de)壽(shou)命(ming)有(you)限(xian)
，所(suo)以(yi)不(bu)太(tai)適(shi)合(he)功(gong)耗(hao)略(lve)高(gao)的(de)應(ying)用(yong)，而(er)更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)會(hui)產(chan)生(sheng)額(e)外(wai)的(de)電(dian)池(chi)成(cheng)本(ben)以(yi)及(ji)更(geng)換(huan)電(dian)池(chi)的(de)人(ren)工(gong)成(cheng)本(ben)。

xiangxiangyixiayongyouxuduojiediandedaxingwulianwangzhuangzhi。dangninqingjishurenyuanxianchanggenghuanyitaishebeidedianchishi
，tongchanghuiyicixinggenghuansuoyoudianchi，yijieshengrengongchengben。haowuyiwen，zheshiyizhonglangfei，zhihuijiajuquanqiulangfeiwenti。gengzhongyaodeyidian
，bukechongdiandianchizhitigonglezuichuzhizaodianchisuoyongdianliangde2%。約98%的電量浪費使得這種電源的經濟效益非常低。

xianran

，tamenzaijiyuwulianwangdeyingyongzhongqueyouyixizhidi。xiangduijiaodidechushichengbenshiqifeichangshihedigonghaoyingyong。tamentigongduozhongleixinghechicunxuanze，erqiewuxushiyongewaidedianziqijianlaijinxingchongdianhuoguanli

，suoyishijiandandejiejuefangan。

從cong設she計ji角jiao度du來lai看kan
，關guan鍵jian挑tiao戰zhan在zai於yu如ru何he充chong分fen利li用yong這zhe些xie小xiao型xing電dian源yuan提ti供gong的de電dian力li。為wei此ci，我wo們men需xu要yao花hua費fei大da量liang時shi間jian來lai製zhi定ding功gong率lv預yu算suan計ji劃hua，以yi確que保bao盡jin量liang延yan長chang電dian池chi的de使shi用yong壽shou命ming
，設she計ji目mu標biao一yi般ban是shi10年。

對於原電池應用
，我們可以考慮使用微功耗產品係列中的兩款產品： LTC3337 微功耗庫侖計數器和 LTC3336 微功耗降壓穩壓器，如圖1所示。

圖1.LTC3337和LTC3336應用電路。

LTC3336是一款低功耗DC-DC轉換器，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用。

在空載狀態下調節時，靜態電流可能非常低
，僅65 nA。隨著DC-DC轉換器不斷改進，可輕鬆設置並用於新設計中。輸出電壓可根據OUT0至OUT3引腳的連接方式進行編程設置。

LTC3336的配套器件是LTC3337，這是一款微功耗原電池健康狀態監視器和庫侖計數器。這是另一款可輕鬆用於新設計的產品，隻需按照峰值電流要求（在5 mA至100 mA範圍內）連接IPK引腳。根據選定的電池進行一些計算，然後填入基於選擇的峰值電流推薦的輸出電容，具體參見數據手冊。

最zui終zhong，為wei功gong率lv預yu算suan有you限xian的de物wu聯lian網wang應ying用yong找zhao出chu合he適shi的de配pei套tao設she備bei。這zhe些xie產chan品pin能neng夠gou準zhun確que監jian測ce原yuan電dian池chi的de電dian量liang使shi用yong情qing況kuang
，並bing將jiang輸shu出chu高gao效xiao轉zhuan換huan為wei可ke用yong的de係xi統tong電dian壓ya。

可充電電池應用

xianzai，womenlaikankankechongdianyingyong。duiyuxuyaogenggaogonglvhuogenggaofangdiandewulianwangyingyong，yuandianchigenghuanpinlvxianranbuheshi，kechongdiandianchijiangshiyigebucuodexuanze。dianchidechushichengbenyijichongdiandianlushikechongdiandianchiyingyongdechengbengenggao
，danzaixuyaopinfanfangdianhechongdiandegaofangdianyingyongzhong
，zhezhongchengbenshihelide，henkuainengshixianhuiben。

genjusuoshiyongdehuaxuewuzhi，kechongdiandianchiyingyongdechushidianliangkenengbiyuandianchidi，dancongchangyuanlaikan
，xiaolvgenggao，zongtilaishuo，langfeigengshao。genjudianlixuqiu
，haikeyixuanzedianronghuochaojidianrongcunchu

，dantamengengduoyongyuduanqihoubeicunchu。

根據所使用的化學物質，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係。

當電池嚴重放電時，如圖2左側所示


，充電器需要具有足夠智能
，讓電池進入預充電模式，使電池電壓緩慢增加到安全水平，然後進入恒流模式。

在恒流模式下
，充電器將設定的電流輸入電池，直到電池電壓升至設定的浮充電壓。

設she定ding的de電dian流liu和he電dian壓ya均jun取qu決jue於yu所suo用yong的de電dian池chi類lei型xing，充chong電dian電dian流liu受shou充chong電dian速su率lv和he所suo需xu的de充chong電dian時shi間jian限xian製zhi，浮fu充chong電dian壓ya則ze基ji於yu保bao持chi電dian池chi安an全quan的de閾yu值zhi。係xi統tong設she計ji人ren員yuan可ke以yi根gen據ju係xi統tong需xu要yao
，通tong過guo稍shao微wei降jiang低di浮fu充chong電dian壓ya來lai幫bang助zhu延yan長chang電dian池chi的de使shi用yong壽shou命ming，與yu針zhen對dui電dian源yuan的de考kao量liang一yi樣yang
，就jiu是shi進jin行xing權quan衡heng和he取qu舍she。

達到浮充電壓之後，充電電流會降至零
，並且會根據終止算法使該電壓保持一段時間。

圖3顯示了3電池應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保持此電壓，在本例中，時長為4個小時。許多充電器產品都支持編程設置該時間。

圖3.充電電壓/電流與時間的關係。

有關電池充電和一些可用產品的更多信息，請參閱《模擬對話》文章 “適用於任何化學物的簡單電池充電器IC”。

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
，適合用於多種應用

，包括便攜式儀器儀表和需要更大電池或電池組的應用。它也可用於從太陽能充電。

圖4.LTC4162：3.2 A降壓型電池充電器。

能量收集應用

在(zai)使(shi)用(yong)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)和(he)其(qi)電(dian)源(yuan)時(shi)
，另(ling)一(yi)個(ge)可(ke)以(yi)考(kao)慮(lv)的(de)選(xuan)項(xiang)是(shi)能(neng)源(yuan)收(shou)集(ji)。當(dang)然(ran)，對(dui)於(yu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)來(lai)說(shuo)，需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)多(duo)方(fang)麵(mian)因(yin)素(su)
，但(dan)免(mian)費(fei)能(neng)源(yuan)的(de)吸(xi)引(yin)力(li)不(bu)能(neng)低(di)估(gu)，尤(you)其(qi)是(shi)電(dian)源(yuan)要(yao)求(qiu)不(bu)太(tai)嚴(yan)格(ge)且(qie)安(an)裝(zhuang)位(wei)置(zhi)不(bu)能(neng)觸(chu)及(ji)（即技術維修人員接觸不到）的應用。

有許多不同的能源可供選擇
，也並非一定是戶外應用才使用這種方式。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的電能水平。

圖5.能源和可用於各種應用的大致電能水平。

至於缺點，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元件，以及電能轉換IC和相關的使能組件。

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換IC時
，很難實現小型解決方案。

zaixiaolvfangmian
，guanlididiannengshuipingyeshiyigenanti。yinweixuduodianyuandoushijiaoliudianyuan
，suoyixuyaozhengliu。womenshiyongerjiguanlaishixianzhengliu。shejirenyuanbixukaolvqibenshentexingdaozhidediannengsunshi。zaizengdashurudianyadeqingkuangxia，zhezhongyingxianghuijianruo，danbingfeishizhongruci。

大多數能量收集討論中使用的器件來自 ADP509x 產品係列和 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
，用於為電池充電或為係統負載供電。從太陽能（室內和室外）到熱電發電機（從可穿戴應用的人體熱量或發動機熱量中提取熱能），任何能量來源都可用於為物聯網節點供電。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
，它以較低的靜態電流（空載狀態下一般為260 nA）運行，非常適合低功耗能量收集應用。數據手冊中展示了一個典型的能量收集應用電路（參見圖7），該電路由壓電電源供電，用於為ADC或RF IC供電。

圖7.ADP5304壓電電源應用電路。

電能管理

zaitaolungonglvyusuanyouxiandeyingyongshi，haiyingdangkaolvdiannengguanli。zaizhakanbutongdedianyuanguanlijiejuefanganzhiqian
，shouxianyaozhenduiyingyongzhixinggonglvyusuanjisuan。zhegebuzhouhenzhongyao，keyibangzhuxitongshejirenyuanlejiexitongzhongshiyongdezhongyaozujian，yijitamenfenbiexuyaoduoshaodianneng。zhehuiyingxiangtamendejueding，shixuanzeyuandianchi、可充電電池、能量收集

，還是將這些選項組合使用。

zaiyanjiudiannengguanlishi
，wulianwangshebeishoujixinhaobingjiangqifasonghuizhongyangxitonghuoyunduandepinlvshilingyigezhongyaoyinsu
，taduizhengtigonghaoyouhendayingxiang。yizhongchangjianshouduanshitiaozhengdianyuanshiyongdezhankongbi，huozheyanchanghuanxingshebeishiqishoujihe/或發送數據的時間間隔。

在嚐試管理係統電能使用情況時
，對每個電子設備使用待機模式（如果提供）也是一種非常有用的工具。

結論

與所有電子應用一樣，盡早考慮電路的電源管理部分很重要。這在電源受限的應用（例如物聯網）中zhong更geng加jia重zhong要yao。在zai設she計ji階jie段duan盡jin早zao製zhi定ding功gong率lv預yu算suan有you助zhu於yu係xi統tong設she計ji人ren員yuan確que定ding有you效xiao的de路lu徑jing和he合he適shi的de設she備bei，以yi應ying對dui這zhe些xie應ying用yong帶dai來lai的de挑tiao戰zhan，同tong時shi仍reng能neng夠gou以yi小xiao尺chi寸cun解jie決jue方fang案an實shi現xian高gao能neng效xiao。

參考電路

Frederik Dostal。 “能量收集功率轉換的最新進展”。《模擬對話》，第49卷第3期，2015年9月。

Knoth、Steve。 “適用於任何化學物的簡單電池充電器IC”。模擬對話
，第53卷第1期
，2019年1月。

Grainne Murphy。 “物聯網(IoT)：接下來又會是什麼
？”。ADI公司，2018年1月。

Zachary Pantely。 “通用電池充電器” 。ADI公司，2018年9月。

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