本文深入探討物聯網電池技術，並提出設計人員可能面臨的一些電源問題，以及ADI提供的解決方案。這些高效的解決方案可以協助克服物聯網裝置中的其他問題，包括尺寸、重量和溫度。
隨著物聯網裝置越來越密集地應用於工業設備、家庭自動化和醫療應用中，透過減小外形尺寸、提高效率、改善電流消耗，或者加快充電時間（對於可攜式物聯網裝置）來優化這些裝置的電源管理的壓力也越來越大。相關的要求是所有這些都必須以小尺寸實現，既不能影響散熱，也不能干擾裝置實現無線通訊。
物聯網裝置的應用領域幾乎沒有止境，每天都會考量新的裝置和使用情況?；吨腔郯l射器的應用收集有關其所處環境的資料，以做出控制溫度、觸發警報或自動執行特定任務的相關決策。此外，煤氣表和空氣品質測量系統這類可攜式儀器可以透過雲端到控制中心提供準確的測量結果。GPS追蹤定位系統是另一種應用，像是可以透過智慧耳標追蹤集裝箱牲畜（例如奶牛），這些只是雲端連接裝置中的一小部分。其他領域包括可穿戴醫療健康應用和基礎設施感測應用。
工業物聯網應用是一個重要的成長領域，它是以智慧工廠為中心的第四次工業革命的一部分。許多物聯網應用最終都在盡可能嘗試實現工廠自動化，無論是透過使用自動導引車（AGV）、智慧感測器（例如RF標籤或壓力錶），或者是部署在工廠周圍的其他環境感測器。
ADI認為，物聯網主要側重五大領域：
? 智慧健康—支援臨床水準和消費者應用的生命體徵監測應用。
? 智慧工廠—著重於透過提升工廠的快速回應能力、使工廠更彈性、更精簡，以建構工業4.0。
? 智慧建築/智慧城市—利用智慧感測技術來執行建築安全、車位佔用檢測，以及進行溫度和電氣控制。
? 智慧農業—利用現有技術實現自動化農業並提升資源利用效率。
? 智慧基礎設施—基於狀態監測技術來監測移動和結構健康。
物聯網設計挑戰
在不斷發展的物聯網應用領域，設計人員面臨哪些主要挑戰？這些設備或節點大多數是在事後安裝的，或安裝在難以接近的位置，因此無法為其供電。這表示需要完全依賴電池和/或能量採集方式供電。
在大型工廠周圍傳輸電力可能成本高昂。例如假設要為工廠中的偏遠物聯網節點供電。如果透過部署新電纜為該裝置供電，不僅建置成本高昂，而且極為耗時，所以一般都會選擇使用電池或能量採集方式為這些偏遠節點供電。
依賴電池供電就需要遵循嚴格的功率預算，以確保盡可能延長電池壽命，這必然會影響裝置的總體擁有成本。使用電池的另一個缺點就是在電池報廢之後需要更換電池。這包括電池本身的成本，以及更換電池和棄置舊電池的高額人力成本。
另外，還要考慮電池的成本和尺寸，這往往會導致對電池過度設計，以確保其擁有足夠容量，從而滿足電池的使用壽命要求，一般是要求超過10年。但是，過度設計會額外增加電池的成本和尺寸，因此，我們不僅要優化功率預算，還要盡可能減少能源使用，使電池尺寸夠小，同時仍能夠滿足設計要求。
物聯網供電
物聯網應用中的電源分為三種情況：
? 使用不可充電電池（原電池）的裝置
? 需要使用可充電電池的裝置
? 利用能量採集來提供系統電源的裝置
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
大家都知道各種不同的原電池應用，這些也稱為不可充電電池應用。主要用於偶爾需要用電的應用，亦即設備偶爾通電，然後重新進入深度睡眠模式，所以耗電很少。使用原電池供電的主要優勢在於：其提供高電能密度，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，所需的電子元件更少）。非常適合低成本、低功耗的放電應用，但因為這些電池的壽命有限，所以不太適合功耗略高的應用，而更換電池會產生額外的電池成本以及更換電池的人工成本。
想像一下擁有許多節點的大型物聯網裝置。請技術人員現場更換一臺裝置的電池時，通常會一次性更換所有電池以節省人工成本。但這毫無疑問是一種浪費，只會加劇全球浪費問題。更重要的一點，不可充電電池只提供了最初製造電池所用電量的2%。約98%的電量浪費使得這種電源的經濟效益非常低。
顯然，其於基於物聯網的應用中確有一席之地。相對較低的初始成本使其非常適合低功耗應用。它們提供多種類型和尺寸選擇，而且無需使用額外的電子元件來進行充電或管理，所以是簡單的解決方案。
從設計角度來看，關鍵挑戰在於如何充分利用這些小型電源提供的電力。為此，我們需要花費大量時間來制定功率預算計畫，以確保儘量延長電池的使用壽命，設計目標一般是10年。
對於原電池應用，我們可以考慮使用微功耗產品系列中的兩款產品： 微功耗庫侖計數器 LTC3337和 微功耗降壓穩壓器 LTC3336，如圖1所示。
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轉換器不斷改善，可輕鬆設定並用於新設計中。輸出電壓可根據OUT0至OUT3接腳的連接方式進行編程設定。
LTC3336的配套元件是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，只需按照峰值電流要求（在5 mA至100 mA範圍內）連接IPK接腳。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。最終，為功率預算有限的物聯網應用找出合適的配套裝置。這些產品能夠準確監測原電池的電量使用情況，並將輸出高效轉換為可用的系統電壓。
可充電電池應用
現在，我們來看看可充電應用。對於需要更高功率或更高放電的物聯網應用，原電池更換頻率顯然不合適，可充電電池將是一個不錯的選擇。電池的初始成本及充電電路使可充電電池應用的成本更高，但在需要頻繁放電和充電的高放電應用中，這種成本是合理的，很快能實現回本。
根據所使用的化學物質，可充電電池應用的初始電量可能比原電池低，但從長遠來看，效率更高，整體來說，浪費更少。根據電力需求，還可以選擇電容或超級電容儲存，但它們更多用於短期後備儲存。而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。
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慧，讓電池進入預充電模式，使電池電壓緩慢增加到安全水準，然後進入恆電流模式。在恆電流模式下，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。
設定的電流和電壓均取決於所用的電池類型，充電電流受充電速率和所需的充電時間限制，浮充電壓則基於保持電池安全的閾值。系統設計人員可以根據系統需要，透過稍微降低浮充電壓來協助延長電池的使用壽命，與針對電源的考量一樣，就是進行權衡和取捨。
達到浮充電壓之後，充電電流會降至零，並且會根據終止演算法使該電壓保持一段時間。
圖3顯示3顆電池應用隨時間變化的行為特性曲線。其在恆電模式下啟動，最高電流達2 A，直至電池電壓達到12.6 V恆壓閾值。充電器在終止計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援編程設定該時間。
圖4顯示一個多功能降壓型電池充電器LTC4162例示，可以提供高達3.2 A充電電流，適合於多種應用，包括可攜式儀器儀表和需要更大電池或電池組的應用，也可用於從太陽能充電。
| 圖4 : LTC4162：3.2 A降壓型電池充電器 |
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能量採集應用
在使用物聯網應用和其電源時，另一個可以考慮的選項是能源採集。當然，對於系統設計人員來說，需要考慮多方面因素，但免費能源的吸引力不能低估，尤其是電源要求不太嚴格且安裝位置不能觸及（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能量都是可以採集的（雖然其功率位準很低）。圖5為使用不同收集方法時相應的電能水準。
至於缺點，相較於之前討論的其他電源，其初始成本更高，因為需要使用採集元件，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和相關的致能組件。另一個缺點是解決方案的整體尺寸更大，特別是與鈕扣電池之類的電源相比。使用能量採集器和轉換IC時，很難建構小型解決方案。
在效率方面，管理低電能水準也是一個難題。因為許多電源都是交流電源，所以需要整流。我們使用二極體來實現整流。設計人員必須考慮其本身特性導致的電能損失。在增大輸入電壓的情況下，這種影響會減弱，但並非始終如此。
大多數能量採集討論中使用的元件來自 ADP509x 系列和 LTC3108，其支援廣泛的能量採集來源，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彈性。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系統負載供電。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，這增加了另一層彈性，例如從運作的馬達中提取電能。
| 圖6 : 能量採集應用中 ADP5090 的功能架構 |
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另一個能夠透過壓電電源供電的元件是 ADP5304，其以較低的靜態電流（空載狀態下一般為260 nA）運行，適合低功耗能量採集應用。至於典型的能量採集應用電路（圖7），該電路由壓電電源供電，用於為ADC或RF IC供電。
電能管理
在討論功率預算有限的應用時，還必須考慮電能管理。在查看不同的電源管理解決方案之前，首先要針對應用執行功率預算計算。這個步驟很重要，可以協助系統設計人員瞭解系統中使用的重要元件，以及它們分別需要多少電能。這會影響他們的決定，是選擇原電池、可充電電池、能量採集，或將這些選項群組合使用。
在研究電能管理時，物聯網裝置收集訊號並將其發送回中央系統或雲端的頻率是另一個重要因素，它對整體功耗有很大影響。一種常見手段是調整電源使用的操作週期，或者延長喚醒裝置使其採集和/或發送資料的時間間隔。
在嘗試管理系統電能使用情況時，若對每個電子裝置使用待機模式，也是一種非常有用的工具。
結論
與所有電子應用一樣，儘早考慮電路的電源管理部分相當重要。這在電源受限的應用（例如物聯網）中更是如此。在設計階段儘早制定功率預算有助於系統設計人員確定有效的路徑和合適的裝置，以因應這些應用帶來的挑戰，同時仍能夠以精巧尺寸解決方案實現高能效。
（本文作者 Diarmuid Carey為ADI核心應用工程師）
