能夠監測心率、房間溫度到大樓房客等一切事物的互連裝置正日益成長,物聯網(IoT)指的就是這類互連裝置組成的網路。新應用每天都在產生,並以無線區域網路(WLAN)測量和回報各類資料,然後再透過閘道器直接連至網際網路。如果專家們所說的正確,那麼,過不了多久,我們只要在智慧型手機上滑動一下手指,就能夠監測健康情況和家中每一樣電器的狀態、關上所有電燈,以及準確掌握寵物的所在位置。無處不在的無線監測測系統使我們能夠隨時隨地觀察和控制周圍的一切。

從更貼近實用的角度來說,物聯網也已經出現在工業環境中,其表現形式是排列成龐大網狀網路的無線感測器陣列。這類無線感測器網路運用在世界各地的工廠、工業場所以及車輛和機械系統中,以監測關鍵參數,提高安全性和可靠性,並及時維護裝置。無論這類無線裝置打算用於何種用途,都面臨一個共同的問題:如何獲得電源?

顯然地,有很多方法可以考慮。無線監測器應該很小、不顯眼,而且應該需要最低限度的維護。專家們建議,在明天的物聯網世界中,很多這類裝置將透過最佳化的能量採集器自行供電,能量採集器可以提供無窮無盡的電源。儘管這樣的前景聽起來很理想,而且在提高能量採集的實用性方面也取得了相當大的進步,然而,當今的解決方案在尺寸和性能方面常常不盡人意,而且總在需要電源時卻沒有可供採集的能量。幸運的是,目前已經有了針對壽命長、平均功耗低的應用而最佳化的電池技術,例如適用於物聯網領域的電池技術。

Li-SOCL2:理想的無線感測器能量來源

物聯網應用往往有類似的功率和能量要求。遠端監測器的平均功率通常都非常低,偶爾需要以突發模式進行測量及廣播資料。因此對這類應用而言,電池是否理想應該看能量密度而不是功率密度。此外,應該最大限度地減少電池自放電,以實現最長的工作時間,並減少更換電池所需的當機和維護等高昂費用。對這類應用而言,一種出色的電池技術是鋰亞硫醯氯(Li-SOCL2)。這種電池化學組成的自放電速度極低(幾家供應商均聲稱其電池的使用壽命超過20年)、能量密度高並提供相對較高的3.6V典型工作電壓。很多供應商都提供大量不同形狀、尺寸和容量的Li-SOCL2電池。不過,如同大多數高度專業化的技術,實現實用性的同時也伴隨著其他的一些折衷。

使用長壽命電池的挑戰

在設計應用電路時,要實現Li-SOCL2電池的壽命(容量)優勢需要特別謹慎。如圖1所見,Li-SOCL2電池具有非常高的輸出阻抗。可實現極低自放電和於貨架長壽命的化學反應(鈍化形成)具有限制可用輸出電流的不良影響。即使當鈍化層由於電池週期性負載而耗散,但對於特定的安培/小時容量額定值,可以提供的峰值電流較其他的電池化學組成更低。就Li-SOCL2電池而言,更高的汲取電流不僅導致工作電壓下降,而且還造成電池容量減少。以一個100mA DC負載執行圖1的電池將產生9安培/小時的容量,較支援一個4mA負載時出現的19安培/小時峰值更低。因此,需要短暫高峰值電流的應用必須同時使用電池與電容儲存,以處理週期性的短暫功率脈衝,以及在峰值負載期間實現某些形式的電池電流限制,從而使可用容量達到最大化。

圖1:Li-SOCL2電池的電壓和容量隨溫度和電流的變化 來源:Tariran (F1a和F1b左右並排)

如果需要使用DC/DC轉換器為下游感測器和通訊電路保持穩定的電源電壓,那麼電池電流管理問題會更加複雜。為低功率應用而最佳化的DC/DC轉換器一般以突波模式(Burst Mode)運作,轉換器保持在睡眠(SLEEP)狀態,直到輸出降至低於穩定點為止,然後向輸出提供持續時間很短的電流突發,直至輸出穩定為止。正如之前所討論的,對於Li-SOCL2以及其他主要電池化學組成而言,這類突發電流都會是問題,會導致系統工作壽命縮短。理想的IoT電源解決方案將結合長壽命電池,以及採用有利於電池的電流管理系統所設計的DC/DC轉換器。

毫微功率DC/DC轉換器編程峰值輸入電流

例如凌力爾特科技(Linear Technology)推出的LTC3335,在設計時充分考慮了上述需求。該元件是一款升降壓DC/DC轉換器,從1.8V至5.5V非穩壓輸入電壓產生固定和針腳可編程的1.8V至5V穩定輸出電壓。該元件可與多種主電池電源一起使用,以調節輸出電壓,使其高於、低於或等於輸入電壓。

圖 2:具可編程峰值電流ILIM的NanoPower升降壓DC/DC轉換器

LTC3335是一款獨特的升降壓轉換器,僅需680nA的低輸入靜態電流,就可保持穩定的輸出。此外,該元件提供8個可程式設計峰值輸入電流設置,從低至5mA到高達250mA,無需任何外部限流,就能滿足Li-SOCL2電池等多種主電池的輸入電流限制。

LTC3335的DC/DC工作過程相對簡單(參見圖2和圖3)。如果輸出電壓高於穩定點,該元件就進入SLEEP模式,僅輸出監測電路工作。一旦負載強制輸出電壓降至低於其穩定點,即啟動DC/DC轉換器,透過一個4開關單晶全橋式轉換器,從輸入向輸出傳送功率。一旦DC/DC轉換器啟動,開關A和C即可導通,從而允許電池電流流經接腳SW1和SW2之間連接的外部電感。一旦達到可編程峰值電流(IPEAK),開關A和C隨即斷開,同時導通開關B和D,允許電感器中流過的電流為連接至PVOUT接腳的輸出電容器充電。電流繼續流經開關B和D直至達到零為止。如果這時輸出高於穩定點,那麼該元件就返回SLEEP模式,直到輸出降至超出穩定範圍為止。否則,另一個AC/BD開關週期開始。憑藉如此低的靜態電流和同步工作,LTC3335在負載電流低至10uA時實現了高於80%的電源轉換效率,對多種無線感測器而言,10uA是常見的平均負載電流。此外,峰值輸入電流可降至支援平均功耗所需的最低值,從而達到最長的電池壽命並提高電池容量。

圖3:LTC3335 DC/DC 轉換器方框圖

其他挑戰:估計剩餘電池電量

儘管為了盡可能降低負載電流和延長電池壽命而進行了各種努力,但是應用最終仍受限於其面積,到了某一時刻仍需更換。在低成本的可攜式裝置中,監測電池放電狀態和估計剩餘電池電量的任務也許優先順序較低;電池壽命比產品更長或必需離線更換電池的情況也不多見。是極小的。但是,對於工廠自動化系統或軌道車輛安全監測器的關鍵感測器來說,意外的關機時間(必須更換失效電池)意味著某種令人不願接受的額外費用。

儘管對於很多主電池而言,預測剩餘電池電量經常是艱困的任務,但是對於Li-SOCL2電池而言,特別具有挑戰性。如圖4的放電曲線所示,典型Li-SOCL2電池的開路電壓持續固定在幾乎恒定的電壓上,直至電池中幾乎沒有剩餘電量為止。這時,電池電壓突然下降。因此,在電池電量趨近於零以前,電池電壓監測提供的有用資訊極少。此外,開路電壓和電池阻抗都對溫度有很強的依賴性,因此即使測量這類參數可提供充份的警示以避免意外當機,但如果不進行額外的監測,那麼想檢測到放電曲線的轉折點和溫度或負載變化之間的差異並不可行──但這一切都得耗用更多功率。

圖 4:Li-SOCL2電池電壓與輸出電流的變化 (來源:Tadiran)

解決方案:‘零’靜態電流庫倫計

最簡單和直接的電池用量監測方法是計算電池釋放的庫侖數。傳統的方法需要對電池電流進行連續監測和積分,即使在無負載條件下這也將消耗大量的功率。不過,上述的LTC3335電源轉換架構在每次DC/DC轉換器需要提升輸出以進入調節狀態時,可準確地對從電池傳遞至負載的電荷量進行自我監測。主要的差異是:在DC/DC SLEEP模式時,庫侖計數器消耗零電流。

無論何時,只要DC/DC轉換器啟動,那麼僅在開關A和C接通時,才有電流從電池流出。開關A和C一直有電流流過,直至達到IPEAK為止,然後開關B和D導通,電感器電流在斜坡下降至零的同時,將電荷傳遞給輸出電容器。一旦檢測到零電流點,就重複下一個週期,直至VOUT進入穩定狀態為止。如果電感器選擇恰當,那麼每次開關A和C導通時,從電池流出的電流都會從零開始線性地斜坡上升,直至達到設定的峰值電流值為止,如圖5所示。

圖5:在開關A和C導通時測得的電池放電曲線

在給定AC ON週期,達到IPEAK所需時間主要是電池電壓、電感器值和IPEAK設定值的函數。在給定IPEAK設定值的情況下,透過測量達到IPEAK所需的時間,可用以下公式確定在每個AC ON週期中所傳送的庫倫量:

(E1)

LTC3335包含一個內部定時電路,每次開關A和C導通時,該電路可週期性地測量AC ON時間,並輸出一個按選定IPEAK設定值定標的準確庫倫數。內部加法器和漣波計數器計算出開關A和C導通的總次數,並將這個次數乘以每次AC ON的定標庫倫數qAC(ON)。用戶可透過一個I2C埠存取計數器鏈的8個最高有效位元(MSB),這8個MSB代表從電池傳送到負載的總庫倫數。標度因數可透過I2C選擇,以適合尺寸和IPEAK設定值不同的電池,還可以選擇警示值,以提示系統每個感測器的電量消耗。既然當DC/DC轉換器處於SLEEP模式時,LTC3335的內部庫倫計數器僅必須保持其邏輯狀態,那麼監測電池放電所增加的靜態電流就真正接近於零了。

如何降低誤差來源

如同使用大多數解決方案時的情形一樣,在此也存在折衷和誤差源。如圖6所示的LTC3335庫倫計數器監測和‘測量’DC/DC 轉換器輸出端消耗的電荷。這其中包括100%的負載電流以及由VOUT供電的內部開關驅動器電流的一部份。然而,處於 SLEEP 模式時的靜態電流,以及用來驅動開關並在傳送電荷時使DC/DC控制電路保持工作的VIN電流並未測量,這是一個誤差源。總之,該元件報告的放電庫倫數會稍微少一些。在峰值電流高於50mA左右時,這些誤差相當小(低於5%),但在最低峰值電流設定值時,這些誤差可能很大(大於實際放電庫倫數的20%)。所幸在一組給定應用條件下,主要的誤差源是由該IC的特性導致的,而這些特性得到了較好的控制,因而是可預測的,可使用軟體校正誤差,從而將所報告的庫倫數誤差減小至一位百分數,甚至在最低峰值電流設定值時也是如此。在資料表中公佈的典型曲線可用來在系統軟體級補償這些誤差。

圖6:‘零’電流庫倫計數器取決於DC/DC架構

最佳無線感測器電源

對於任何無線應用而言,更長工作壽命和可靠的作業都是值得實現的目標。在很多可用電源中選擇使用哪一個時,必須權衡有關的解決方案尺寸、工作壽命以及峰值功率等要求。為了提高安全性、可靠能力或工業系統性能,越來越多應用採用了無線感測器,因此極需滿足最佳化功耗和實現更長工作壽命的要求。網路可靠性也變得更加重要,這不僅包括可靠地產生資料並透過網路傳送,還包括避免由於功耗而導致意外當機。透過像LTC3335等最新DC/DC轉換器不僅能滿足此系統功率需求,並能在使用各種尺寸和化學組成的電池時最佳化能量利用率。此外,它還能準確地計算從電池傳送到負載的總庫倫量,而且在此過程中不會耗費電池電量。