本文深入探讨电池技术，并提出设计人员可能面临的一些电源问题，以及提供的解决方案。这些高效的解决方案可以协助克服装置中的其他问题，包括尺寸、重量和温度。

随着装置越来越密集地应用于工业设备、家庭自动化和医疗应用中，透过减小外形尺寸、提高效率、改善电流消耗，或者加快充电时间（对于可携式物联网装置）来优化这些装置的的压力也越来越大。相关的要求是所有这些都必须以小尺寸实现，既不能影响散热，也不能干扰装置实现无线通信。

物联网装置的应用领域几乎没有止境，每天都会考虑新的装置和使用情况。基于智能发射器的应用收集有关其所处环境的数据，以做出控制温度、触发警报或自动执行特定任务的相关决策。此外，煤气表和空气质量测量系统这类可携式仪器可以透过云端到控制中心提供准确的测量结果。GPS追踪定位系统是另一种应用，像是可以透过智慧耳标追踪集装箱牲畜（例如奶牛），这些只是云端连接装置中的一小部分。其他领域包括可穿戴医疗健康应用和基础设施感测应用。

工业物联网应用是一个重要的成长领域，它是以智慧工厂为中心的第四次工业革命的一部分。许多物联网应用最终都在尽可能尝试实现工厂自动化，无论是透过使用自动导引车（AGV）、智能传感器（例如RF标签或压力表），或者是部署在工厂周围的其他环境传感器。

认为，物联网主要侧重五大领域：

‧ 智能健康—支持临床水平和消费者应用的生命体征监测应用；
‧ 智能工厂—着重于透过提升工厂的快速响应能力、使工厂更弹性、更精简，以建构工业4.0；
‧ 智慧建筑/智慧城市—利用智慧感测技术来执行建筑安全、车位占用检测，以及进行温度和电气控制；
‧ 智慧农业—利用现有技术实现自动化农业并提升资源利用效率；
‧ 智慧基础设施—基于状态监测技术来监测移动和结构健康。

物联网设计挑战
在不断发展的物联网应用领域，设计人员面临哪些主要挑战？这些设备或节点大多数是在事后安装的，或安装在难以接近的位置，因此无法为其供电。这表示需要完全依赖电池和/或能量采集方式供电。

在大型工厂周围传输电力可能成本高昂。例如假设要为工厂中的偏远物联网节点供电。如果透过部署新电缆为该装置供电，不仅建置成本高昂，而且极为耗时，所以一般都会选择使用电池或能量采集方式为这些偏远节点供电。

依赖电池供电就需要遵循严格的功率预算，以确保尽可能延长电池寿命，这必然会影响装置的总体拥有成本。使用电池的另一个缺点就是在电池报废之后需要更换电池。这包括电池本身的成本，以及更换电池和弃置旧电池的高额人力成本。

另外，还要考虑电池的成本和尺寸，这往往会导致对电池过度设计，以确保其拥有足够容量，从而满足电池的使用寿命要求，一般是要求超过10年。但是，过度设计会额外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，使电池尺寸够小，同时仍能够满足设计要求。

物联网供电
物联网应用中的电源分为三种情况：

‧ 使用不可充电电池（原电池）的装置；
‧ 需要使用可充电电池的装置；
‧ 利用能量采集来提供系统电源的装置。

这些电源可以单独使用，或根据应用需要组合使用。

原电池应用
大家都知道各种不同的原电池应用，这些也称为不可充电电池应用。主要用于偶尔需要用电的应用，亦即设备偶尔通电，然后重新进入深度睡眠模式，所以耗电很少。使用原电池供电的主要优势在于：其提供高电能密度，设计简单（因为无需包含电池充电/管理电路），以及成本较低（因为电池更便宜，所需的电子组件更少）。非常适合低成本、低功耗的放电应用，但因为这些电池的寿命有限，所以不太适合功耗略高的应用，而更换电池会产生额外的电池成本以及更换电池的人工成本。

想象一下拥有许多节点的大型物联网装置。请技术人员现场更换一台装置的电池时，通常会一次性更换所有电池以节省人工成本。但这毫无疑问是一种浪费，只会加剧全球浪费问题。更重要的一点，不可充电电池只提供了最初制造电池所用电量的2%。约98%的电量浪费使得这种电源的经济效益非常低。

显然，其于基于物联网的应用中确有一席之地。相对较低的初始成本使其非常适合低功耗应用。它们提供多种类型和尺寸选择，而且无需使用额外的电子组件来进行充电或管理，所以是简单的解决方案。

从设计角度来看，关键挑战在于如何充分利用这些小型电源提供的电力。为此，我们需要花费大量时间来制定功率预算计划，以确保尽量延长电池的使用寿命，设计目标一般是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款产品： 微功耗库仑计数器 LTC3337和 微功耗降压稳压器 LTC3336，如图1所示。


 
图1 : LTC3337和LTC3336应用电路

LTC3336是一款低功耗DC-DC转换器，输入电压可高达15 V，峰值输出电流可编程。输入可以低至2.5 V，因此适合电池供电应用。在空载状态下调节时，静态电流可能非常低，仅65 nA。随着DC-DC转换器不断改善，可轻松设定并用于新设计中。输出电压可根据OUT0至OUT3接脚的连接方式进行编程设定。

LTC3336的配套组件是LTC3337，这是一款微功耗原电池健康状态监视器和库仑计数器。这是另一款可轻松用于新设计的产品，只需按照峰值电流要求（在5 mA至100 mA范围内）连接IPK接脚。根据选定的电池进行一些计算，然后填入基于选择的峰值电流推荐的输出电容。最终，为功率预算有限的物联网应用找出合适的配套装置。这些产品能够准确监测原电池的电量使用情况，并将输出高效转换为可用的系统电压。

可充电电池应用
现在，我们来看看可充电应用。对于需要更高功率或更高放电的物联网应用，原电池更换频率显然不合适，可充电电池将是一个不错的选择。电池的初始成本及充电电路使可充电电池应用的成本更高，但在需要频繁放电和充电的高放电应用中，这种成本是合理的，很快能实现回本。

根据所使用的化学物质，可充电电池应用的初始电量可能比原电池低，但从长远来看，效率更高，整体来说，浪费更少。根据电力需求，还可以选择电容或超级电容储存，但它们更多用于短期后备储存。而根据所使用的化学物质，电池充电涉及几种不同的模式和工作特性。例如图2锂离子电池的充电特性曲线。底部为电池电压，纵轴表示充电电流。


 
图2 : 充电电流与电池电压的关系

当电池严重放电时，如图2左侧所示，充电器需要具有足够智慧，让电池进入预充电模式，使电池电压缓慢增加到安全水平，然后进入恒电流模式。在恒电流模式下，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，透过稍微降低浮充电压来协助延长电池的使用寿命，与针对电源的考虑一样，就是进行权衡和取舍。

达到浮充电压之后，充电电流会降至零，并且会根据终止算法使该电压保持一段时间。

图3显示3颗电池应用随时间变化的行为特性曲线。其在恒电模式下启动，最高电流达2 A，直至电池电压达到12.6 V恒压阈值。充电器在终止定时器定义的时长内保持此电压，在本例中，时长为4个小时。许多充电器产品都支持编程设定该时间。


 
图3 : 充电电压/电流与时间的关系

图4显示一个多功能降压型电池充电器LTC4162例示，可以提供高达3.2 A充电电流，适合于多种应用，包括可携式仪器仪表和需要更大电池或电池组的应用，也可用于从太阳能充电。


 
图4 : LTC4162：3.2 A降压型电池充电器

能量采集应用
在使用物联网应用和其电源时，另一个可以考虑的选项是能源采集。当然，对于系统设计人员来说，需要考虑多方面因素，但免费能源的吸引力不能低估，尤其是电源要求不太严格且安装位置不能触及（即技术维修人员接触不到）的应用。

有许多不同的能源可供选择，也并非一定是户外应用才使用这种方式。太阳能以及压电或振动能量、热电能，甚至RF能量都是可以采集的（虽然其功率位准很低）。图5为使用不同收集方法时相应的电能水平。


 
图5 : 能源和可用于各种应用的大致电能水平

至于缺点，相较于之前讨论的其他电源，其初始成本更高，因为需要使用采集组件，例如太阳能电池板、压电接收器或珀尔帖效应组件，以及电能转换和相关的致能组件。另一个缺点是解决方案的整体尺寸更大，特别是与钮扣电池之类的电源相比。使用能量采集器和转换时，很难建构小型解决方案。

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。

大多数能量采集讨论中使用的组件来自 ADP509x 系列和 LTC3108，其支持广泛的能量采集来源，提供多条电源路径和可编程充电管理选项，可以提供极高的设计弹性。可以使用多种能源为ADP509x供电，但也可以从电源中提取电能，用于为电池充电或为系统负载供电。从太阳能（室内和室外）到热电发电机（从可穿戴应用的人体热量或发动机热量中提取热能），任何能量来源都可用于为物联网节点供电。此外还可以从压电电源中获取电能，这增加了另一层弹性，例如从运作的马达中提取电能。


 
图6 : 能量采集应用中 ADP5090 的功能架构

另一个能够透过压电电源供电的组件是 ADP5304，其以较低的静态电流（空载状态下一般为260 nA）运行，适合低功耗能量采集应用。至于典型的能量采集应用电路（图7），该电路由压电电源供电，用于为ADC或RF 供电。


 
图7 : ADP5304压电电源应用电路

电能管理
在讨论功率预算有限的应用时，还必须考虑电能管理。在查看不同的解决方案之前，首先要针对应用执行功率预算计算。这个步骤很重要，可以协助系统设计人员了解系统中使用的重要组件，以及它们分别需要多少电能。这会影响他们的决定，是选择原电池、可充电电池、能量采集，或将这些选项组合使用。

在研究电能管理时，物联网装置收集讯号并将其发送回中央系统或云端的频率是另一个重要因素，它对整体功耗有很大影响。一种常见手段是调整电源使用的操作周期，或者延长唤醒装置使其采集和/或发送数据的时间间隔。

在尝试管理系统电能使用情况时，若对每个电子装置使用待机模式，也是一种非常有用的工具。

结论
与所有电子应用一样，尽早考虑电路的部分相当重要。这在电源受限的应用（例如物联网）中更是如此。在设计时间尽早制定功率预算有助于系统设计人员确定有效的路径和合适的装置，以因应这些应用带来的挑战，同时仍能够以精巧尺寸解决方案实现高能效。

（本文作者 Diarmuid Carey为核心应用工程师）