推動物聯(lián)網發(fā)展 供電--物聯(lián)網的基礎設備的生命線

　　物聯(lián)網是時下的熱門話題之一。但是大多數(shù)集中在通信標準以及信息和設備的安全性方面。同樣重要，卻被大家忽視的是如何為組成物聯(lián)網的大量設備進行妥善供電。是什么構成了物聯(lián)網呢?物聯(lián)網背后的理念是，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)網所連接的項目可以是最近獲得通信能力的現(xiàn)有設備，也可以是為豐富信息環(huán)境而創(chuàng)建的新產品。通常這些設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測，無線云今年(2015年)將耗電43太瓦時(TWh)[1]。其中無線網絡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)網的視圖

　　隨著更多的設備和通信量成為IoT基礎設施的一部分，預計耗電量還將攀升。對電源設計人員來說，這已成為嚴峻的挑戰(zhàn)。在將來的某個時間點，IoT的擴展將受限于它所消耗的能量。因此，讓我們開始認真考慮一些電源設計人員需應對的任務吧。

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

　　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：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，升壓型轉換器的效率可大于70%。

　　智能家電

　　構成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上，設置一些信息，它們就能開始工作。在洗衣機的例子中，當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)網型家電卻能補考提示音即可給您提供信息。這會給電源設計人員帶來什么樣的影響呢?

　　這些家電原來只在有任務要執(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計人員的任務。由于這些設備需要較大的功率來完成其任務，因此在大多數(shù)情況下它們被連接到電網，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，并且與本地網絡進行通信。這將功率水平要求設置得低于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)，因為該設備很多時候將為無線通信電路供電。在這個例子中，控制器采用谷值開關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，關鍵看尺寸如何影響最終成本。IoT是一項振奮人心的技術，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。

　　無線網絡

　　無線網絡堪稱能量“貪吃鬼”，是IoT最令人關注的挑戰(zhàn)之一有很多正在進行的電源設計開發(fā)工作可幫助解決這個問題。從包絡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拓撲結構，但我們將聚焦連續(xù)導通模式(CCM)推拉輸出電路的版本。

　　圖5. 推拉輸出電路無橋PFC

　　這種拓撲結構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)開關設備，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體場效應晶體管(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，并減少網絡能源總需求。當我們?yōu)槟芰渴占_發(fā)新技術時，我們必須謹記，減少能量需求對促進發(fā)展而言仍然至關重要。對能量的需求越低，越有可能從環(huán)境中獲取能量。

　　減少電網的能量需求也很重要。想想每個單獨的電網供電型應用可能掩蓋百分之零點幾的效率產生的影響。只有總體效率產生的影響才能引起政府的關注。能有這種效果的不是一臺洗衣機或一個基站，而是構成能量需求的數(shù)百萬應用。幸運的是，電源設計人員擁有能應對這些挑戰(zhàn)的新技術。在某些情況下，處理技術能使高電壓組件集成低電壓控制功能。在其它情況下，WBG設備通過在開關速度更高時允許低損耗可改善高電壓轉換狀況。對電源設計人員而言，我們這個時代肯定會越來越精彩。