推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展 供電--物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)備的生命線

物聯(lián)網(wǎng)是時(shí)下的熱門話題之一。但是大多數(shù)集中在通信標(biāo)準(zhǔn)以及信息和設(shè)備的安全性方面。同樣重要，卻被大家忽視的是如何為組成物聯(lián)網(wǎng)的大量設(shè)備進(jìn)行妥善供電。是什么構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)呢？物聯(lián)網(wǎng)背后的理念是，將一切值得討論或傾聽的東西都連接起來用于通信。

在許多情況下，物聯(lián)網(wǎng)所連接的項(xiàng)目可以是最近獲得通信能力的現(xiàn)有設(shè)備，也可以是為豐富信息環(huán)境而創(chuàng)建的新產(chǎn)品。通常這些設(shè)備通過無線的方式進(jìn)行連接。無線連接對電源開發(fā)人員提出了新的要求。無線連接因其高度的靈活性而備受歡迎，這種靈活性不應(yīng)被任何特殊電源連接的任何需求所限制。

圖1展示了物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)視圖。正如圖片所示，什么都可以被連接。我們也看到，這一概念的一個(gè)子集是無線云。無線云可為用戶及其設(shè)備提供連接。節(jié)能電信中心（CEET）2013年4月份出版的白皮書預(yù)測，無線云今年（2015年）將耗電43太瓦時(shí)（TWh）[1]。其中無線網(wǎng)絡(luò)的耗電量將占上述耗電量的90％。相對于2012年無線云僅耗電9.2TWh，能耗增加幅度非常大。

圖1. 物聯(lián)網(wǎng)的視圖

隨著更多的設(shè)備和通信量成為IoT基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，預(yù)計(jì)耗電量還將攀升。對電源設(shè)計(jì)人員來說，這已成為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在將來的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，IoT的擴(kuò)展將受限于它所消耗的能量。因此，讓我們開始認(rèn)真考慮一些電源設(shè)計(jì)人員需應(yīng)對的任務(wù)吧。

我們將從無線傳感器開始說起。如圖1所示，為形成IoT而集成的設(shè)備和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施包含有有可監(jiān)測環(huán)境的小型設(shè)備或無線傳感器、需要傳遞其狀態(tài)信息的家電、可佩戴式電子產(chǎn)品、安全系統(tǒng)、汽車和工業(yè)設(shè)備，以及前面提到的無線聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。許多人認(rèn)為IoT主要由可傳遞重要信息的無線傳感器構(gòu)成。

無線傳感器
無線傳感器通常被放置在接入比較麻煩，或接入費(fèi)用很昂貴的環(huán)境中。這要求其能量供應(yīng)可持續(xù)很長一段時(shí)間，一般需要超過10年，或無線傳感器能以可靠的方式從所處環(huán)境中獲取能量。因此，這要求電源管理解決方案必須能實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)：在能量管理運(yùn)行期間，非常節(jié)約能耗。無線傳感器還具有非常高的峰值對均值功率比，在某些情況下大于100。

圖2展示了無線傳感器各種功率模式的例子。在這個(gè)例子中，傳感器大部分時(shí)間處于睡眠模式，但可能喚醒進(jìn)入通信模式以便進(jìn)行測量 —— 這也能讓系統(tǒng)識別該傳感器是可用的。而在更長的間隔期間，傳感器可向系統(tǒng)提供更多的信息。這種傳輸可能需要更多的能量，因此依賴于所儲(chǔ)存的可用能量。電源管理解決方案需要能提供所需的峰值功率，同時(shí)平均能耗非常少。如果此類系統(tǒng)的環(huán)境能量較低，那么電源管理解決方案必須能采集能量，直到有足夠的能量用于所需設(shè)施。

圖2. 無線傳感器功率分布圖

圖3展示了這樣一個(gè)系統(tǒng)[2]的實(shí)現(xiàn)例子。在這個(gè)例子中，最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）是基于MPPT電壓和光伏源開路電壓的比值來實(shí)現(xiàn)的。這種MPPT實(shí)現(xiàn)方案可最大限度地降低能耗，同時(shí)執(zhí)行MPPT功能。這個(gè)例子還集成了能量存儲(chǔ)功能。由于儲(chǔ)能元件的使用壽命非常重要，因此務(wù)必注意不要使該元件過度充放電。在這個(gè)例子中，為最小和最大存儲(chǔ)電壓設(shè)置了電平。

圖3. 適用于無線傳感器的能量管理

為了把所儲(chǔ)存的能量水平通知給系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可從外部，主要指的是能給出該通知、VBAT_OK的地方,配置電壓電平。降壓型調(diào)節(jié)器也被集成到解決方案，以便為系統(tǒng)負(fù)載供電。這個(gè)完整的系統(tǒng)只有500nA的典型靜態(tài)電流，即使在低電流時(shí)也能實(shí)現(xiàn)高效率。例如，輸入電流為500mV且充電電流為100uA時(shí)，升壓型轉(zhuǎn)換器的效率可大于70％。

智能家電
構(gòu)成IoT的另一類東西是家電。很多時(shí)候，我們都沒想到過此類河北如何會(huì)成為IoT的一部分，但正是通過IoT，我們才能智能控制我們的洗衣機(jī)、冰箱等。傳統(tǒng)上，我們認(rèn)為只需將它們連接到電網(wǎng)上，設(shè)置一些信息，它們就能開始工作。在洗衣機(jī)的例子中，當(dāng)周期完成時(shí)它可能會(huì)發(fā)出提示音，但僅此而已。然而，現(xiàn)今的聯(lián)網(wǎng)型家電卻能補(bǔ)考提示音即可給您提供信息。這會(huì)給電源設(shè)計(jì)人員帶來什么樣的影響呢？

這些家電原來只在有任務(wù)要執(zhí)行時(shí)才開啟，現(xiàn)在需要始終保持開啟狀態(tài)，或者至少一些功能必須始終保持開啟狀態(tài)。為了給這些一直處于開啟狀態(tài)的功能有效供電。這種新要求增加了電源設(shè)計(jì)人員的任務(wù)。由于這些設(shè)備需要較大的功率來完成其任務(wù)，因此在大多數(shù)情況下它們被連接到電網(wǎng)，這樣就不再需要進(jìn)行能量收集。然而，因?yàn)樗鼈円恢碧幱陂_啟狀態(tài)，所以靜態(tài)功耗和效率對新連接功能而言至關(guān)重要。很多時(shí)候，這些連接功能是以無線方式執(zhí)行的，并且與本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。這將功率水平要求設(shè)置得低于10W。用AC/DC反激式解決方案一般可達(dá)到這種低功率水平。有許多集成的反激式解決方案可供選擇，但這種特殊的應(yīng)用有其自己的要求。圖4展示了這樣一個(gè)電源解決方案的例子，以滿足連接到IoT的需要。

圖4. 適用于家電連接的低功耗AC/DC解決方案

圖4的反激式例子有幾個(gè)主要特性。首先是它具有非常低的待機(jī)功耗，小于30mW。由于連接必須始終處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，即使家電處于空閑狀態(tài)。所以，低功耗就尤為重要。另一個(gè)方面是低電磁干擾（EMI），因?yàn)樵撛O(shè)備很多時(shí)候?qū)闊o線通信電路供電。在這個(gè)例子中，控制器采用谷值開關(guān)和頻率抖動(dòng)來幫助減少EMI。

另一個(gè)方面是電源解決方案的尺寸。尺寸本身通常不是問題，關(guān)鍵看尺寸如何影響最終成本。IoT是一項(xiàng)振奮人心的技術(shù)，能讓洗衣機(jī)告訴您衣服已洗好待烘干，或讓冰箱通過發(fā)送到您手機(jī)上的信息告訴您門沒關(guān)好，但消費(fèi)者卻不想花不必要的錢。因此該解決方案需要最大限度地降低電源解決方案的成本?？蓪?shí)現(xiàn)這一目的一種方法是減小尺寸。通過以較高的頻率運(yùn)行，在這種情況下頻率是115kHz，可實(shí)現(xiàn)尺寸的縮減。

無線網(wǎng)絡(luò)
無線網(wǎng)絡(luò)堪稱能量“貪吃鬼”，是IoT最令人關(guān)注的挑戰(zhàn)之一有很多正在進(jìn)行的電源設(shè)計(jì)開發(fā)工作可幫助解決這個(gè)問題。從包絡(luò)跟蹤功率放大器到數(shù)字射頻（RF）功率放大器，一切皆為基站研究和開發(fā)，這樣的例子的確不勝枚舉。鑒于許多基站由電網(wǎng)供電，因此有機(jī)會(huì)使那種前端功率因數(shù)控制（PFC）電源更高效。圖5展示了一種這樣的方法。這是無橋PFC的功率級。通過除去二極管橋，可使該系統(tǒng)效率更高。有許多不同的無橋PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但我們將聚焦連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）推拉輸出電路的版本。

圖5. 推拉輸出電路無橋PFC

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來的好處是減少了組件數(shù)量和并消除了橋接損耗。通過利用氮化鎵（GaN）開關(guān)設(shè)備，我們能進(jìn)一步提高效率。這些器件（Q3和Q4）可提供更低的柵極損耗，從而允許更高頻率的運(yùn)行。其它寄生損耗（如Coss）也更低。此外，不存在本征體二極管，所以反向恢復(fù)損耗最小。Q1和Q2在線路頻率下被切換，并且它們可以是硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），比單用二極管能減少的損耗更多。

展望未來
IoT為電源設(shè)計(jì)人員帶來了許多新挑戰(zhàn)，這里只提到了幾種。IoT的采用和覆蓋范圍在很大程度上取決于能量需求的減少，這部分可通過收集環(huán)境能量來實(shí)現(xiàn)，以最大限度地減少家庭能源需求，并減少網(wǎng)絡(luò)能源總需求。當(dāng)我們?yōu)槟芰渴占_發(fā)新技術(shù)時(shí)，我們必須謹(jǐn)記，減少能量需求對促進(jìn)發(fā)展而言仍然至關(guān)重要。對能量的需求越低，越有可能從環(huán)境中獲取能量。

減少電網(wǎng)的能量需求也很重要。想想每個(gè)單獨(dú)的電網(wǎng)供電型應(yīng)用可能掩蓋百分之零點(diǎn)幾的效率產(chǎn)生的影響。只有總體效率產(chǎn)生的影響才能引起政府的關(guān)注。能有這種效果的不是一臺(tái)洗衣機(jī)或一個(gè)基站，而是構(gòu)成能量需求的數(shù)百萬應(yīng)用。幸運(yùn)的是，電源設(shè)計(jì)人員擁有能應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的新技術(shù)。在某些情況下，處理技術(shù)能使高電壓組件集成低電壓控制功能。在其它情況下，WBG設(shè)備通過在開關(guān)速度更高時(shí)允許低損耗可改善高電壓轉(zhuǎn)換狀況。對電源設(shè)計(jì)人員而言，我們這個(gè)時(shí)代肯定會(huì)越來越精彩。