本文探讨了物联网(IoT)电池技术。描述设计师面临的一些电源问题，以及AD公司提供的解决方案。这些解决方案非常有效，有助于克服物联网设备中的其他问题，包括尺寸、重量和温度。

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随着物联网设备越来越多地用于工业设备、家庭自动化和医疗应用，通过减少外观尺寸、提高效率、提高电流消耗或加快充电时间（便携式物联网设备）来优化这些设备的电源管理的压力也越来越大。所有这些都必须以小尺寸实现，既不影响散热，也不干扰这些设备的无线通信。

物联网是什么？

这一特定的物联网应用领域有多种表现形式。它通常是一种智能联网电子设备，可以由电池供电，并将预先计算的数据发送给基于云的基础设施。它使用嵌入式系统集合(如处理器和通信)IC与传感器一起收集和响应数据，并将数据发送回网络的中心或其他节点。这可以是任何东西，如简单的温度传感器，用于向中央监测区域报告室温，或设备健康监测器，以跟踪高价工厂设备的长期健康状况。

最后，这些设备的开发是为了解决具体的挑战，无论是为了自动执行通常需要人工干预的任务，如家庭或建筑自动化，还是为了提高设备在工业物联网应用中的可用性和使用寿命，如果在基于结构的应用（如桥梁）中实现状态监控应用，甚至可以提高安全性。

应用示例

物联网设备的应用领域几乎没有尽头，每天都会考虑新设备的使用。根据智能发射器的应用，收集环境数据，做出控制温度、触发报警或自动执行特定任务的决定。此外，便携式仪器，如煤气表和空气质量测量系统，可以通过云向控制中心提供准确的测量结果。GPS跟踪定位系统是另一种应用。比如集装箱牲畜(比如奶牛)可以通过智能耳标跟踪。这些只是云连接设备的一小部分。其他领域包括可穿戴医疗卫生应用和基础设施检测应用。

工业物联网应用是第四次以智能工厂为中心的工业革命的重要增长领域。许多物联网应用程序最终都在努力实现工厂自动化，无论是使用自动引导车(AGV)、例如智能传感器RF标签或压力表)，或部署在工厂周围的其他环境传感器。

AD该公司认为，物联网主要关注五个领域：

● 智能健康-生命体征监测应用，支持临床水平和消费者应用。

● 智能工厂——专注于通过提高工厂的快速响应能力，使工厂更加灵活和简化，构建工业4.0。

● 智能建筑/智能城市-利用智能传感技术进行建筑安全、停车位占用检测、温度和电气控制。

● 智能农业-利用现有技术实现自动化农业，提高资源利用效率。

● 基于状态监测技术监测移动和结构健康的智能基础设施。

更多关于这些关注领域和现有相关支持技术的信息，请访问 analog.com/IoT。

挑战物联网设计

在不断发展的物联网应用领域，设计师面临着哪些主要挑战？这些设备或节点大多安装在事后或难以接近的位置，因此无法供电。这意味着完全依赖电池和/或能量收集。

在大型工厂周围传输电力的成本可能很高。例如，假设要为工厂中的偏远物联网节点供电。如果通过部署新电缆为设备供电，不仅成本高，而且耗时，通常选择使用电池或能量收集来为这些偏远节点供电。

依靠电池供电需要遵循严格的功率预算，以确保电池寿命尽可能延长，这将不可避免地影响设备的总成本。使用电池的另一个缺点是，电池报废后需要更换。这包括电池本身的成本，以及更换电池和废弃旧电池的高劳动力成本。

此外，还应考虑电池的成本和尺寸，这通常会导致电池的过度设计，以确保它有足够的容量，以满足电池的使用寿命，通常需要超过10年。然而，过度设计会增加电池的成本和尺寸，因此，我们不仅要优化功率预算，还要尽可能减少能源使用，使电池足够小，而且还能满足设计要求。

物联网供电

为了方便讨论，我们将物联网应用中的电源分为以下三种情况：

● 使用不可充电电池(原电池)的设备

● 需要使用可充电电池的设备

● AD中国代理利用能量收集提供系统电源的设备

这些电源可以单独使用，也可以根据应用需要组合使用。

原电池应用

众所周知，各种不同的原电池应用，也被称为可充电电池应用。主要用于偶尔需要用电的应用，即设备偶尔通电，然后重新进入深度睡眠模式，耗电量少。使用原电池供电的主要优点是提供高功率密度、简单的设计（因为不包括电池充电/管理电路）和低成本（因为电池更便宜，所需的电子设备更少）。它们非常适合低成本、低功耗的放电应用，但由于这些电池寿命有限，不适合功耗略高的应用，更换电池会产生额外的电池成本和更换电池的劳动力成本。

想象一下有许多节点的大型物联网设备。当您要求技术人员现场更换设备电池时，通常会一次更换所有电池，以节省劳动力成本。毫无疑问，这是一种浪费，只会加剧全球浪费。更重要的是，不可充电电池只提供原电池用电量的2%。约98%的电力浪费使这种电源的经济效益非常低。

显然，它们在实在基于物联网的应用中占有一席之地。初始成本相对较低，非常适合低功耗应用。它们提供多种类型和尺寸的选择，不需要额外的电子设备来充电或管理，所以这是一个简单的解决方案。

从设计的角度来看，关键的挑战是如何充分利用这些小电源提供的电力。为此，我们需要花费大量的时间来制定电源预算计划，以确保电池的使用寿命尽可能延长通常是10年。

对于原电池应用，我们可以考虑使用微功耗产品系列中的两种产品： LTC3337 库仑计数器和微功耗 LTC3336 微功耗降压稳压器。

图1.LTC3337和LTC3336应用电路。

LTC3336是低功耗DC-DC转换器的输入电压可达15 V，可编程峰值输出电流。输入可低至2.5 V，因此很适合电池供电。

静态电流在空载状态下可能很低，只有65 nA。随着DC-DC在新的设计中，可以轻松地设置和使用转换器。输出电压可根据OUT0至OUT3引脚的连接方式进行编程设置。

LTC3336的配套设备是LTC3337是微功耗原电池健康状态监测器和库仑计数器。这是另一种可以轻松用于新设计的产品，只需按照峰值电流要求(5 mA至100 mA范围内)连接IPK引脚。根据选定的电池进行计算，然后根据选定的峰值电流填充推荐的输出电容，详见数据手册。

最后，为电源预算有限的物联网应用程序找到合适的配套设备。这些产品可以准确地监控原电池的功率使用，并有效地将输出转换为可用的系统电压。

可充电电池应用

现在，让我们来看看可充电应用程序。对于需要更高功率或更高放电的物联网应用程序，原始电池的更换频率显然不合适，可充电电池将是一个很好的选择。电池的初始成本和充电电路使可充电电池的应用成本更高，但在需要频繁放电和充电的高放电应用程序中，该成本合理，可以很快实现回报。

根据使用的化学物质，可充电电池的初始功率可能低于原电池，但从长远来看，效率更高，浪费更少。根据电力需求，电容器或超级电容器也可以存储，但它们更多地用于短期储备。

根据使用的化学物质，电池充电涉及几种不同的模式和工作特性(specialist profiles)。例如，图2中显示的锂离子电池的充电特性曲线。底部为电池电压，纵轴为充电电流。

图2.充电电流与电池电压的关系。

当电池严重放电时，充电器需要足够智能，使电池进入预充电模式，缓慢将电池电压提高到安全水平，然后进入恒流模式。

在恒流模式下，充电器将设定的电流输入电池，直到电池电压升至设定的浮充电压。

设定的电流和电压均取决于所用的电池类型，充电电流受充电速率和所需的充电时间限制，浮充电压则基于保持电池安全的阈值。系统设计人员可以根据系统需要，通过稍微降低浮充电压来帮助延长电池的使用寿命，与针对电源的考量一样，就是进行权衡和取舍。

达到浮充电压后，充电电流将降至零，电压将根据终止算法保持一段时间。

图3显示了电池应用程序随时间变化的行为特征曲线。红线表示电池电压，蓝线表示充电电流。它在恒流模式下启动，最高电流为2 A，直到电池电压达到122.6 V恒压阈值。在这种情况下，充电器在终止定时器定义的时间内保持此电压4小时。许多充电器产品支持编程设置此时间。

图3.充电电压/电流与时间的关系。

更多关于电池充电和一些可用产品的信息，请参阅模拟对话文章 简单的电池充电器，适用于任何化学物质IC”。

图4显示了一个很好的多功能降压电池充电器( LTC4162)示例可提供高达3.2 A充电电流，适合用于多种应用，包括便携式仪器仪表和需要更大电池或电池组的应用。它也可用于从太阳能充电。

图5.能源和可用于各种应用的一般电能水平。

至于缺点，由于需要使用太阳能电池板、压电接收器或珀尔帖效应元件等收集元件，与之前讨论的其他电源相比，初始成本更高能转换IC以及相关的使能组件。

另一个缺点是解决方案的整体尺寸更大，特别是与纽扣电池等电源相比。使用能量收集器和转换IC小解决方案很难实现。

在效率方面，管理低电能水平也是一个难题。因为许多电源都是交流电源，所以需要整流。我们使用二极管来实现整流。设计人员必须考虑其本身特性导致的电能损失。在增大输入电压的情况下，这种影响会减弱，但并非始终如此。

在能量收集讨论中使用的设备大多来自 ADP509x 产品系列和 LTC3108支持广泛的能源收集来源，提供多条电源路径和可编程充电管理选项，设计灵活性高。可使用多种能源ADP509x但也可以从电源中提取电能，为电池充电或为系统负载供电。从太阳能(室内外)到热电发电机(从可穿戴的人体热量或发动机热量中提取热量)，任何能源都可以用来为物联网节点供电。此外，还可以从压电电源中获取电能，这增加了另一层的灵活性，也是从运行电机中提取电能的好方法。

图6.能量收集应用 ADP5090 功能框图。

另一个可以通过压电电源供电的装置是 ADP5304，静态电流较低(空载状态一般为260 nA）运行非常适合低功耗能量收集和应用。数据手册显示了一个典型的能量收集应用电路（见图7），由压电电源供电ADC或RF IC供电。

图7.ADP5304压电电源应用电路。

电能管理

在讨论电力预算有限的应用时，还应考虑电力管理。在检查不同的电源管理解决方案之前，应首先对应用程序进行电源预算计算。这一步非常重要，可以帮助系统设计师了解系统中使用的重要组成部分以及他们分别需要多少电能。这将影响他们的决定是选择原始电池、可充电电池、能量收集，还是结合这些选项。

在研究电能管理时，物联网设备收集信号并将其发送回中央系统或云的频率是另一个重要因素，对整体功耗影响很大。一种常见的方法是调整电源的比例，或延长唤醒设备收集和/或发送数据的时间间隔。

使用待机模式(如果提供的话)也是每个电子设备在尝试管理系统电能时非常有用的工具。

结论

与所有电子应用程序一样，尽快考虑电路的电源管理部分是非常重要的。这在有限的电源应用程序（如物联网）中更为重要。在设计阶段尽快制定电源预算，有助于系统设计师确定有效的路径和合适的设备，以应对这些应用程序带来的挑战，同时仍然可以实现小型解决方案的高能效。

参考电路

Frederik Dostal。 2015年9月，第49卷第三期模拟对话。

Knoth、Steve。 简单的电池充电器，适用于任何化学物质IC2019年1月模拟对话。

Grainne Murphy。 “物联网(IoT)：接下来会是什么？AD2018年1月，公司。

Zachary Pantely。 通用电池充电器 。AD2018年9月，公司。