【導讀】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。

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。

最(zui)終(zhong)，開(kai)發(fa)這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)是(shi)為(wei)了(le)解(jie)決(jue)特(te)定(ding)挑(tiao)戰(zhan)，無(wu)論(lun)是(shi)為(wei)了(le)自(zi)動(dong)執(zhi)行(xing)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)人(ren)工(gong)幹(gan)預(yu)的(de)任(ren)務(wu)
，比(bi)如(ru)家(jia)居(ju)或(huo)樓(lou)宇(yu)自(zi)動(dong)化(hua)，還(hai)是(shi)在(zai)工(gong)業(ye)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)中(zhong)提(ti)高(gao)設(she)備(bei)的(de)可(ke)用(yong)性(xing)和(he)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)，如(ru)果(guo)考(kao)慮(lv)在(zai)基(ji)於(yu)架(jia)構(gou)的(de)應(ying)用(yong)（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。

物聯網設計挑戰

zaibuduanfazhandewulianwangyingyonglingyu
，shejirenyuanmianlinnaxiezhuyaotiaozhan？zhexieshebeihuojiediandaduoshushizaishihouanzhuangde，huoanzhuangzainanyijiejindeweizhi，yinciwufaweiqigongdian。zheyiweizhexuyaowanquanyilaidianchihe/或能量收集方式供電。

在zai大da型xing工gong廠chang周zhou圍wei傳chuan輸shu電dian力li可ke能neng成cheng本ben高gao昂ang。例li如ru
，假jia設she要yao為wei工gong廠chang中zhong的de偏pian遠yuan物wu聯lian網wang節jie點dian供gong電dian。如ru果guo通tong過guo部bu署shu新xin電dian纜lan為wei該gai設she備bei供gong電dian，不bu僅jin實shi施shi成cheng本ben高gao昂ang，而er且qie極ji為wei耗hao時shi
，所suo以yi一yi般ban都dou會hui選xuan擇ze使shi用yong電dian池chi或huo能neng量liang收shou集ji方fang式shi為wei這zhe些xie偏pian遠yuan節jie點dian供gong電dian。

yilaidianchigongdianjiuxuyaozunxunyangedegonglvyusuan，yiquebaojinkenengyanchangdianchishouming，zhebiranhuiyingxiangshebeidezongyongyouchengben。shiyongdianchidelingyigequedianjiushizaidianchibaofeizhihouxuyaogenghuandianchi。zhebaokuodianchibenshendechengben，yijigenghuandianchiheqizhijiudianchidegaoerenlichengben。

lingwaihaiyaokaolvdianchidechengbenhechicun，zhewangwanghuidaozhiduidianchiguodusheji，yiquebaoqiyongyouzugourongliang，congermanzudianchideshiyongshoumingyaoqiu，yibanshiyaoqiuchaoguo10年nian。但dan是shi
，過guo度du設she計ji會hui額e外wai增zeng加jia電dian池chi的de成cheng本ben和he尺chi寸cun
，因yin此ci，我wo們men不bu僅jin要yao優you化hua功gong率lv預yu算suan，還hai要yao盡jin可ke能neng減jian少shao能neng源yuan使shi用yong，使shi電dian池chi尺chi寸cun足zu夠gou小xiao

，同tong時shi仍reng能neng夠gou滿man足zu設she計ji要yao求qiu。

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，這些電源可以單獨使用
，或根據應用需要組合使用。

●    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

原電池應用

dajiadouzhidaogezhongbutongdeyuandianchiyingyong，zhexieyechengweibukechongdiandianchiyingyong。zhuyaoyongyuouerxuyaoyongdiandeyingyong，yejiushishuo

，shebeiouertongdian
，ranhouzhongxinjinrushendushuimianmoshi，suoyihaodianhenshao。shiyongyuandianchigongdiandezhuyaoyoushizaiyu：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、digonghaodefangdianyingyong，danshi，yinweizhexiedianchideshoumingyouxian
，suoyibutaishihegonghaolvegaodeyingyong，ergenghuandianchihuichanshengewaidedianchichengbenyijigenghuandianchiderengongchengben。

想xiang象xiang一yi下xia擁yong有you許xu多duo節jie點dian的de大da型xing物wu聯lian網wang裝zhuang置zhi。當dang您nin請qing技ji術shu人ren員yuan現xian場chang更geng換huan一yi台tai設she備bei的de電dian池chi時shi
，通tong常chang會hui一yi次ci性xing更geng換huan所suo有you電dian池chi，以yi節jie省sheng人ren工gong成cheng本ben。毫hao無wu疑yi問wen，這zhe是shi一yi種zhong浪lang費fei，隻zhi會hui加jia劇ju全quan球qiu浪lang費fei問wen題ti。更geng重zhong要yao的de一yi點dian

，不bu可ke充chong電dian電dian池chi隻zhi提ti供gong了le最zui初chu製zhi造zao電dian池chi所suo用yong電dian量liang的de2%。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(shi)10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。

根gen據ju所suo使shi用yong的de化hua學xue物wu質zhi，可ke充chong電dian電dian池chi應ying用yong的de初chu始shi電dian量liang可ke能neng比bi原yuan電dian池chi低di，但dan從cong長chang遠yuan來lai看kan


，效xiao率lv更geng高gao，總zong體ti來lai說shuo
，浪lang費fei更geng少shao。根gen據ju電dian力li需xu求qiu，還hai可ke以yi選xuan擇ze電dian容rong或huo超chao級ji電dian容rong存cun儲chu
，但dan它ta們men更geng多duo用yong於yu短duan期qi後hou備bei存cun儲chu。

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。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(zuo)側(ce)所(suo)示(shi)，充(chong)電(dian)器(qi)需(xu)要(yao)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)智(zhi)能(neng)，讓(rang)電(dian)池(chi)進(jin)入(ru)預(yu)充(chong)電(dian)模(mo)式(shi)，使(shi)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)緩(huan)慢(man)增(zeng)加(jia)到(dao)安(an)全(quan)水(shui)平(ping)，然(ran)後(hou)進(jin)入(ru)恒(heng)流(liu)模(mo)式(shi)。在(zai)恒(heng)流(liu)模(mo)式(shi)下(xia)
，充(chong)電(dian)器(qi)將(jiang)設(she)定(ding)的(de)電(dian)流(liu)輸(shu)入(ru)電(dian)池(chi)，直(zhi)到(dao)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)升(sheng)至(zhi)設(she)定(ding)的(de)浮(fu)充(chong)電(dian)壓(ya)。

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da到dao浮fu充chong電dian壓ya之zhi後hou，充chong電dian電dian流liu會hui降jiang至zhi零ling，並bing且qie會hui根gen據ju終zhong止zhi算suan法fa使shi該gai電dian壓ya保bao持chi一yi段duan時shi間jian。

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。

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。

在zai效xiao率lv方fang麵mian
，管guan理li低di電dian能neng水shui平ping也ye是shi一yi個ge難nan題ti。因yin為wei許xu多duo電dian源yuan都dou是shi交jiao流liu電dian源yuan，所suo以yi需xu要yao整zheng流liu。我wo們men使shi用yong二er極ji管guan來lai實shi現xian整zheng流liu。設she計ji人ren員yuan必bi須xu考kao慮lv其qi本ben身shen特te性xing導dao致zhi的de電dian能neng損sun失shi。在zai增zeng大da輸shu入ru電dian壓ya的de情qing況kuang下xia，這zhe種zhong影ying響xiang會hui減jian弱ruo，但dan並bing非fei始shi終zhong如ru此ci。

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。

在(zai)研(yan)究(jiu)電(dian)能(neng)管(guan)理(li)時(shi)，物(wu)聯(lian)網(wang)設(she)備(bei)收(shou)集(ji)信(xin)號(hao)並(bing)將(jiang)其(qi)發(fa)送(song)回(hui)中(zhong)央(yang)係(xi)統(tong)或(huo)雲(yun)端(duan)的(de)頻(pin)率(lv)是(shi)另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)因(yin)素(su)
，它(ta)對(dui)整(zheng)體(ti)功(gong)耗(hao)有(you)很(hen)大(da)影(ying)響(xiang)。一(yi)種(zhong)常(chang)見(jian)手(shou)段(duan)是(shi)調(tiao)整(zheng)電(dian)源(yuan)使(shi)用(yong)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)，或(huo)者(zhe)延(yan)長(chang)喚(huan)醒(xing)設(she)備(bei)使(shi)其(qi)收(shou)集(ji)和(he)/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)。

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