物聯(lián)網(wǎng)是時下的熱門話題之一。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。

Times New Roman';color:rgb(59,61,67);font-size:16px">圖1. 物聯(lián)網(wǎng)的視圖

              圖1展示了物聯(lián)網(wǎng)的一個視圖,。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（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,。

      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現(xiàn)這樣的目標(biāo)：在能量管理運行期間,，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,。在這個例子中，傳感器大部分時間處于睡眠模式,，但可能喚醒進入通信模式以便進行測量 —— 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展示了這樣一個系統(tǒng)[2]的實現(xiàn)例子。在這個例子中,，最大功率點追蹤（MPPT）是基于MPPT電壓和光伏源開路電壓的比值來實現(xiàn)的,。這種MPPT實現(xiàn)方案可最大限度地降低能耗，同時執(zhí)行MPPT功能,。這個例子還集成了能量存儲功能,。由于儲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,。在這個例子中,，為最小和最大存儲電壓設(shè)置了電平。

                 圖3. 適用于無線傳感器的能量管理

       為了把所儲存的能量水平通知給系統(tǒng),，設(shè)計人員可從外部,，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)負載供電。這個完整的系統(tǒng)只有500nA的典型靜態(tài)電流,，即使在低電流時也能實現(xiàn)高效率,。例如,，輸入電流為500mV且充電電流為100uA時，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,。很多時候，我們都沒想到過此類河北如何會成為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、冰箱等,。傳統(tǒng)上,，我們認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,。在洗衣機的例子中，當(dāng)周期完成時它可能會發(fā)出提示音,，但僅此而已,。然而，現(xiàn)今的聯(lián)網(wǎng)型家電卻能補考提示音即可給您提供信息,。這會給電源設(shè)計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)，這樣就不再需要進行能量收集,。然而,，因為它們一直處于開啟狀態(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主要特性,。首先是它具有非常低的待機功耗,，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,。另一個方面是低電磁干擾（EMI）,，因為該設(shè)備很多時候?qū)闊o線通信電路供電。在這個例子中,，控制器采用谷值開關(guān)和頻率抖動來幫助減少EMI。

       另一個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是一項振奮人心的技術(shù),，能讓洗衣機告訴您衣服已洗好待烘干,，或讓冰箱通過發(fā)送到您手機上的信息告訴您門沒關(guān)好，但消費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,。可實現(xiàn)這一目的一種方法是減小尺寸,。通過以較高的頻率運行,，在這種情況下頻率是115kHz，可實現(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)之一有很多正在進行的電源設(shè)計開發(fā)工作可幫助解決這個問題。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,，因此有機會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拓撲結(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

       這種拓撲結(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,，我們必須謹(jǐn)記，減少能量需求對促進發(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,。想想每個單獨的電網(wǎng)供電型應(yīng)用可能掩蓋百分之零點幾的效率產(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洗衣機或一個基站,，而是構(gòu)成能量需求的數(shù)百萬應(yīng)用,。幸運的是，電源設(shè)計人員擁有能應(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)速度更高時允許低損耗可改善高電壓轉(zhuǎn)換狀況,。對電源設(shè)計人員而言，我們這個時代肯定會越來越精彩,。

德州儀器（TI）

參考文獻

1.《無線云的功耗》,，節(jié)能電信中心（CEET）2013年4月出版

2. 《bq25570產(chǎn)品說明書》，德州儀器（TI）