物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備功耗是關(guān)鍵
發(fā)布時(shí)間:2021-06-04 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】物聯(lián)網(wǎng)(IoT)儼然已成為會(huì)議、文章和部落格上熱烈討論的一個(gè)話(huà)題;其中,絕大部分的探討重點(diǎn)都集中在通訊標(biāo)準(zhǔn)以及資訊和設(shè)備的安全性上。除此之外,至關(guān)重要的一點(diǎn),便是如何為物聯(lián)網(wǎng)中的大量設(shè)備供電。首先,這值得花點(diǎn)時(shí)間談一談物聯(lián)網(wǎng)的具體組成,并了解物聯(lián)網(wǎng)背后的核心概念-所有值得溝通的事物皆能接結(jié)。
物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展將受能耗限制
在許多情況下,所連結(jié)的事物可能是最近獲得通訊能力的既有裝置,或是為豐富資訊環(huán)境而創(chuàng)造出的新產(chǎn)品,這些裝置多半以無(wú)線(xiàn)方式連接,且對(duì)電源開(kāi)發(fā)人員提出了一定的要求,無(wú)線(xiàn)通訊具備高度的靈活性,不會(huì)因?yàn)槿魏翁厥獾碾娫催B接需要而受到限制。
地球上的萬(wàn)物皆可以相互連結(jié)。這其中包含了“無(wú)線(xiàn)云端”的概念,可為使用者及其裝置提供連結(jié)。然而,無(wú)限云端也開(kāi)始成為電力消耗的一個(gè)主要來(lái)源。根據(jù)Center for Energy-Efficient Telecommunication(CEET,節(jié)能電信中心)在2013年4月出版的一本白皮書(shū)中指出,2015年無(wú)線(xiàn)云端會(huì)消耗430億千瓦時(shí)的電能,而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路將消耗掉其中的90%。
在2012年,無(wú)線(xiàn)云端只消耗92億千瓦時(shí)的電能,由此顯示能耗的成長(zhǎng)幅度相當(dāng)巨大;而且,隨著物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中所納入越來(lái)越多的通訊設(shè)備,能耗成長(zhǎng)趨勢(shì)也將持續(xù)增加,這將成為電源供應(yīng)設(shè)計(jì)人員的一大難題。在未來(lái)的某個(gè)時(shí)間點(diǎn),物聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展將會(huì)因能耗問(wèn)題而遭受制約。
在物聯(lián)網(wǎng)中,我們可以看到用于監(jiān)控環(huán)境的小型設(shè)備或無(wú)線(xiàn)感測(cè)器、可互相交流狀態(tài)的電器用品、可穿戴電子產(chǎn)品、安全系統(tǒng)、汽車(chē)、工業(yè)設(shè)備,以及前面提到的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路設(shè)備等。
因此,物聯(lián)網(wǎng)的形成主要來(lái)自于眾多設(shè)備和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)合,基于物聯(lián)網(wǎng)的概念描述,很多人會(huì)認(rèn)為用于交流重要資訊的無(wú)線(xiàn)感測(cè)器是物聯(lián)網(wǎng)的首要組成部分,那我們就從這里談起吧。
無(wú)線(xiàn)感測(cè)器
無(wú)線(xiàn)感測(cè)器通常設(shè)置在難以取得或是取得成本十分高昂的環(huán)境中,因此在電力供應(yīng)方面即須要有長(zhǎng)久且不間斷(超過(guò)10年)的使用壽命,或是要能安全可靠地從所在環(huán)境中獲取。
此時(shí),在管理能源的過(guò)程中,電源管理就必須要嚴(yán)格落實(shí)節(jié)約用電。無(wú)線(xiàn)感測(cè)器還具有極高的峰值對(duì)均值功率比(Peak-To-Average Power Ratio),某些情況下該比值會(huì)大于100。
圖一說(shuō)明了無(wú)線(xiàn)感測(cè)器的各種功耗模式。在這個(gè)例子中,感測(cè)器大部分時(shí)間處于睡眠模式,但在接到需要測(cè)量的通訊消息時(shí)可能會(huì)被喚醒,同時(shí)還可以讓系統(tǒng)得知感測(cè)器已處于可用狀態(tài)。
圖一 : 無(wú)線(xiàn)感測(cè)器功率分布圖
時(shí)間間隔越長(zhǎng),感測(cè)器可以向系統(tǒng)提供的資訊也就越多;這種大量的資訊傳輸可能需要消耗更多的電源,因此需要依賴(lài)可用的儲(chǔ)存電源。電源管理解決方案必須要在消耗極少量的平均能源之下,供應(yīng)所需的峰值功率。對(duì)于環(huán)境能源不足的系統(tǒng),電源管理解決方案必須要采集能源,直到可以為所需的設(shè)施提供足夠的能源為止。
附圖二呈現(xiàn)上述系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施案例。在這個(gè)例子中,采用了基于最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)電壓與太陽(yáng)能源開(kāi)路電壓的比值的最大功率點(diǎn)追蹤方案,這種方案在執(zhí)行最大功率點(diǎn)追蹤功能的同時(shí),還可實(shí)現(xiàn)能耗最小化;除此之外,還納入了能源儲(chǔ)存功能。由于儲(chǔ)能元件的使用壽命至關(guān)重要,因而須注意不要對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行過(guò)度放電或充電。而這個(gè)實(shí)例中還設(shè)定了最小和最大儲(chǔ)存電壓所對(duì)應(yīng)的電壓水準(zhǔn)。
圖二 : 無(wú)線(xiàn)感測(cè)器的能源管理
為向系統(tǒng)通知儲(chǔ)存的能源水準(zhǔn),工程師可以在外部配置可發(fā)出VBAT_OK這一通知時(shí)的電壓水準(zhǔn)。這套解決方案還加入了一個(gè)降壓穩(wěn)壓器,以便為系統(tǒng)負(fù)載提供電力。整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)電流典型值僅為500nA,即使在弱電流時(shí)也能實(shí)現(xiàn)高效率。例如,在500mV輸入和100uA充電電流的情況下,升壓轉(zhuǎn)換器的效率將高于70%。
智慧電器
電器用品也是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的其中一環(huán)。很多時(shí)候,一般人不會(huì)想到這些個(gè)人電子裝置如何成為物聯(lián)網(wǎng)的一部分,但物聯(lián)網(wǎng)確實(shí)地幫助實(shí)現(xiàn)人類(lèi)與洗衣機(jī)、冰箱等電器的互動(dòng)和對(duì)話(huà)。
一般來(lái)說(shuō),這類(lèi)裝置設(shè)備并沒(méi)有太多可強(qiáng)調(diào)的亮點(diǎn),只須把它們接入電網(wǎng),設(shè)定一些資訊,它們就會(huì)按部就班地工作。舉例來(lái)說(shuō),洗衣機(jī)在完成整個(gè)工作回圈后,過(guò)去的它可能只會(huì)發(fā)出聲響;然而,如今的聯(lián)網(wǎng)電器可以讓使用者的資訊獲取途徑不只是依賴(lài)于所聽(tīng)到的聲響。這將對(duì)電源設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生何種影響呢?
未來(lái),這種電器將不會(huì)只是在需要執(zhí)行某個(gè)任務(wù)時(shí)處于開(kāi)啟狀態(tài),而是始終保持開(kāi)啟狀態(tài),或者至少是在某些功能始終保持開(kāi)啟。為使這些功能始終保持開(kāi)啟并隨時(shí)進(jìn)行資訊交流,就必須為其高效供電。
為了滿(mǎn)足這種新的需求,電源設(shè)計(jì)人員不像以前只需要考量為電器提供執(zhí)行任務(wù)所需的電力,而是需要承擔(dān)起更多、更詳盡的任務(wù)。
由于這些設(shè)備需要較高的功率來(lái)完成工作,在大多數(shù)情況下它們會(huì)被接入電網(wǎng),因此沒(méi)有采集能源的必要。然而,為保持開(kāi)啟狀態(tài),靜態(tài)功率和供電效率就顯得至關(guān)重要,以讓新的連結(jié)功能可以正常運(yùn)作。
許多時(shí)候,這些連結(jié)功能會(huì)以無(wú)線(xiàn)方式工作并與當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)路進(jìn)行通訊,因而決定了其功率級(jí)需要低于10W。這種低功率級(jí)一般可以由AC/DC返馳式解決方案(AC/DC Fly-Back Solution)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
雖然有很多整合的返馳式解決方案可供選擇,但是對(duì)這種應(yīng)用則需要滿(mǎn)足其特定的要求。圖四舉例說(shuō)明了一個(gè)此類(lèi)電源解決方案如何滿(mǎn)足連結(jié)物聯(lián)網(wǎng)的需求。
圖三的返馳實(shí)例有幾大特性:第一個(gè)特性是它具有小于30mW的極低待機(jī)功耗,這十分重要,因?yàn)榧词闺娖餮b置處于空閑狀態(tài),連結(jié)也必須維持準(zhǔn)備就緒的狀態(tài);而另一個(gè)特性是低電磁干擾(EMI),因?yàn)檫@臺(tái)設(shè)備將需要經(jīng)常性地透過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊電路來(lái)供電。在這個(gè)例子中,控制器使用谷值開(kāi)關(guān)和頻率抖動(dòng)來(lái)幫助減少電磁干擾。
圖三 : 電器連接的低功耗AC/DC
還有一個(gè)特性是電源解決方案的尺寸大小。通常,尺寸大小本身并不構(gòu)成問(wèn)題,問(wèn)題在于尺寸大小如何對(duì)最終成本產(chǎn)生影響。物聯(lián)網(wǎng)是一項(xiàng)激勵(lì)人心的技術(shù),它可以透過(guò)手機(jī)的資訊發(fā)送,讓您的洗衣機(jī)告訴您衣服可以放入烘干機(jī)了;或是讓冰箱告訴您有人忘了關(guān)上冰箱門(mén),為相當(dāng)值得贊賞的技術(shù),盡管如此,消費(fèi)者仍不愿意為必要功能之外所產(chǎn)生的費(fèi)用而買(mǎi)單。
因此,此類(lèi)解決方案需要盡可能降低電源解決方案的成本。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個(gè)方法就是縮小尺寸,這個(gè)例子中采用了更高的工作頻率(115kHz),進(jìn)而達(dá)到了縮小尺寸的目的。
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路
讓我們換個(gè)話(huà)題,談一談什么將成為物聯(lián)網(wǎng)的心腹大患。正如在一開(kāi)始所提到的,無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路將是主要的能源大戶(hù)。而目前有很多電源設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)專(zhuān)案正在開(kāi)發(fā)進(jìn)行,以解決這一類(lèi)的問(wèn)題。
從封包追蹤到數(shù)位射頻(RF)功率放大器等為基地臺(tái)研發(fā)的一切應(yīng)用,這樣的設(shè)計(jì)專(zhuān)案不勝枚舉。由于許多基地臺(tái)由電網(wǎng)供電,所以有條件讓前端功率因數(shù)控制(PFC)的供電變得更加高效。圖四展現(xiàn)其中一個(gè)方法,為無(wú)橋功率因數(shù)控制的功率級(jí)。
圖四 : 圖騰柱無(wú)橋功率因數(shù)控制(PFC)
透過(guò)移除二極體橋,該系統(tǒng)可獲得更高的效率。雖然有許多不同版本的無(wú)橋功率因數(shù)控制拓?fù)洌覀儗⒅攸c(diǎn)關(guān)注持續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)圖騰柱拓?fù)洹?/div>
這種拓?fù)溆欣跍p少元件數(shù)量和移除橋的損耗。利用氮化鎵(GaN)與開(kāi)關(guān)裝置進(jìn)一步提高效率。Q3和Q4的這些裝置能夠提供更低的閘極損耗,并實(shí)現(xiàn)更高頻率的的工作,以及降低輸出電容等其他寄生損耗。
此外,因?yàn)闆](méi)有內(nèi)在的本體二極體,所以反向恢復(fù)損耗也降到了最低。Q1和Q2的線(xiàn)路頻率可以進(jìn)行切換,還可以采用矽MOSFET電晶體,從而實(shí)現(xiàn)比僅有二極體時(shí)更多的損耗減少。因?yàn)檫@種拓?fù)溆欣谔岣吒吖碾娋W(wǎng)連結(jié)系統(tǒng)的整體效率,所以已經(jīng)有數(shù)篇公開(kāi)發(fā)表的論文研究詳細(xì)介紹。
展望未來(lái)
物聯(lián)網(wǎng)為電源設(shè)計(jì)人員帶來(lái)諸多的新難題,而文中提到的只是冰山一角。物聯(lián)網(wǎng)的采用和覆蓋很大程度上取決于能否減少能源需求,包括采集環(huán)境能源、盡量減少家庭能源需求和降低整體網(wǎng)路能源需求等。
當(dāng)我們?yōu)槟茉床杉_(kāi)發(fā)新技術(shù)時(shí),必須要牢記減少能源需求對(duì)于推動(dòng)發(fā)展扮演了相當(dāng)重要的地位,能源需求越低,就越有可能從環(huán)境中獲取能源。
減少電網(wǎng)的能源需求也十分重要。如果是單獨(dú)考慮每一個(gè)由電網(wǎng)供電的應(yīng)用,它對(duì)效率的影響可能讓人覺(jué)得微乎其微,甚至可以忽略不計(jì)。但政府所關(guān)注的是效率損失的總數(shù)。這不是一臺(tái)洗衣機(jī)或一個(gè)基地臺(tái),而是數(shù)百萬(wàn)創(chuàng)造能源需求的應(yīng)用。
幸運(yùn)的是,電源設(shè)計(jì)人員擁有新的技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。有些時(shí)候,他們采用的是可將高壓元件與低壓控制相互整合的處理技術(shù);而有些時(shí)候,則是采用能夠在更高的切換速度下保持低損耗,進(jìn)而提高高壓轉(zhuǎn)換效率的WBG裝置。對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員而言,未來(lái)必定會(huì)更加精彩、令人期待。
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