物联网时代需要怎样的电源管理？

随着物联网（IoT）时代的来临，市场上出现了许多新应用；不同的终端设备对电源管理技术提出了各种不同的新需求。每种IoT设备的电源管理发展趋势都与具体应用相关。有些IoT应用依赖于电池管理或能量收集；另一些则由交流电网、直流总线或是以太网供电。 物联网时代仍处于萌芽期，市场也在不断洗牌；拥有出众的电源管理技术无疑会是新应用取得成功的一大关键。本文针对物联网话题采访了五家行业领先半导体厂商，请他们谈谈物联网时代电源管理技术会有哪些新动向，以及这些新技术反映到终端应用又会带来哪些新的价值。 应用不同，空间和效率需求也不同 在谈到物联网电源管理技术发展趋势时，飞思卡尔模拟和传感器产品高级市场经理闫子波表示，飞思卡尔正在开发的电源管理IC适用于从便携式应用到汽车应用的物联网系统解决方案。 他认为，电源管理IC技术趋势根据不同的终端应用而有所不同。可穿戴应用关注更高的效率来使得电池待机时间更长；由于空间限制，电源管理IC封装尺寸必须越来越小。针对汽车应用中 功耗较大的处理器，电源管理IC则要尽量提高效率来减少热量产生，帮助散热和提高可靠性。 随着应用处理器电源架构变得越来越复杂，电源管理必须更加精细，才能优化系统性能。 另一个趋势是功能安全的要求变得更加重要，因为物联网和系统的高度自主化致使人为监督和参与会越来越少。 作为物联网重要一环的汽车无人驾驶和娱乐系统，更会越来越多采用符合功能安全的芯片。“飞思卡尔的应用处理器和电源管理IC都符合ISO标准。这一趋势也同样在工业物联网市场中得到验证，比如电梯控制和机器人等。”闫子波表示。 安森美半导体应用产品部AC-DC电源管理产品线总监Tim Kaske则认为，物联网的趋势主要是为设备添加少量电源，这些设备过去可能没有功率要求（图1）。物联网需要添加一个微处理器，而这是典型的低功率设备。其中一个很好的例子是咖啡壶或电饭煲。这类产品过去只需要足够显示时钟的功率，而现在它们有无线连接，当咖啡煮好或饭煮熟时提醒消费者。

图1：安森美半导体应用产品部AC-DC电源管理产品线总监Tim Kaske
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【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 能量收集技术大行其道 凌力尔特公司电源产品市场总监Tony Armstrong则指出：“由于支持物联网（IoT）的无线传感器激增，对于针对无线低功率设备而定制的小型、紧凑和高效率电源转换器的需求也增大了。物联网领域最新出现的一个细分市场是可穿戴电子产品，从能量收集角度来看，这个细分市场尤其令人感兴趣。 “可穿戴技术不仅面向人类，还有很多应用是面向动物的。无论应用目的是什么，这类设备大多数都需要一块电池作为主电源。不过，对于面向人类的应用而言，似乎不久就会出现可利用太阳能产生电力的面料。你可以把这种面料做成的衣服想象成‘供电’套装！Dephotex公司就已经开发出使光伏材料足够轻、足够柔和可以适合穿戴的方法。这种材料本身会将光子转换成电能，然后用这种电能给用户穿戴的各种不同电子设备供电，或者用来给这些设备的主电池充电，甚至两种功能兼而有之。” Maxim Integrated现场应用技术团队资深成员Damian Anzaldo谈道，IoT电源管理的发展趋势受IoT终端设备的影响。有些IoT应用依赖于电池管理或能量收集；另一些应用则由交流电网、直流总线供电或以太网供电。每种IoT设备的电源管理发展趋势都与具体应用相关。

图2：Maxim Integrated现场应用技术团队资深成员Damian Anzaldo
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在电池供电应用中，一项重要的电源管理趋势是高精度测定电池电量，并且功耗极低，占据的电路板面积非常小。另一种趋势是将电源管理功能进行高密度模拟整合，实现IoT电源管理电路集成化（PMIC）。IoT PMIC优化用于功耗敏感和空间受限的应用。无线充电也将被用于众多电池供电IoT设备，我们认为能量收集是一种重要的电源管理趋势。为了从太阳能、射频（RF）或热电源收集能量，需要像MAX17710（图3）这样静态电流仅1nA，同时可处理极不稳定大动态输入功率（1uW~100mW）的方案。

图3：能量收集将成为IoT设备的重要电池管理方案
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Cypress公司指出：“我们的主要目标是对于无线单元与物联网传感器节点的集成电路电源管理（PMIC）。在物联网领域中，大量设备包括成千上万的传感器都要连接上网。这些设备的电源是能否大范围连接上的关键所在。目前的方案是采取系统内部的电源来操作。一般来说，物联网系统需要更小的尺寸所以对电源的体积大小也有限制。这种情况下就带来了电池寿命与更换的问题。谁能忍受更换成千上万的传感器电池还要处理有毒的化学品？这个费用和工作量都是难以承担的。” Cypress的能源管理PMIC这个解决方案是将周围的能源聚集起来，比如光、震动和热量都能作为供应系统的电源，而且能在较长时间里都减少电池的用量。Cypress正拓宽其能源管理解决方案的应用范围。该公司希望在未来的物联网系统中拓宽此解决方案的使用量。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 物联网技术发展的几个观点 “物联网创新日益更多地由软件来驱动而不是硬件。由于在应用处理器和电源管理IC在处理器初期已经充分验证，采用应用处理器和同一供应商的电源管理IC，可以使开发者无需验证硬件平台而集中精力开发软件。”闫子波谈道，“针对飞思卡尔SafeAssure计划重要部分的功能安全，飞思卡尔将继续提供应用处理器和电源管理IC作为整套方案，以满足部分功能安全的要求。” “在功率范围的低端是能量收集系统的毫微功率转换需求，例如物联网设备中常见的能量收集系统，这类系统必须使用电源转换IC 处理非常小的功率和电流。这类功率和电流可能分别仅为数十微瓦和数十纳安。”Tony则表示。 最新和现成有售的能量收集产品，例如振动能量收集产品和室内或可穿戴光伏电池产品，在典型工作条件下产生毫瓦量级的功率。尽管这个量级的功率可能看似用途有限，但是能量收集器件在数年内持续运行可能意味着，无论从所提供的能量还是从每能量单位的成本而言，能量收集技术与长寿命主电池都大致相同。此外，采用能量收集技术的系统一般能够在电量耗尽后再充电，这种事情由主电池供电的系统是做不到的。不过，大多数解决方案都会将环境能源用作主电源，并用一块主电池作为补充，如果环境能源消失或中断，就切换到由主电池供电。 当然，能量收集电源提供的能量取决于该电源能够运行多长时间。因此，比较能量收集电源的主要衡量指标是功率密度，而不是能量密度。能量收集电源提供的可用功率一般较小、可变且不可预测，因此常常使用结合能量收集器和辅助电源的混合结构。辅助电源可能是一块可再充电电池，或一个存储电容器（甚至可能是超级电容器）。能量收集器（由于其能量供应无限且功率不足）是系统的能源。辅助电力储存器（或者是一块电池，或者是一个电容器）产生较大的功率输出，但是存储较少的能量，在需要时供电，否则定期从能量收集器接收电荷。因此，在没有环境能源可供收集的时候，必须用辅助电力储存器来给下游电子系统或无线传感器网络（WSN）供电。 “在有些领域，我们看到IoT正在蓬勃发展。在工业控制领域和联网家居领域，有许多产品可归类为IoT设备。工厂自动化领域使用的工业可编程逻辑控制器（PLC）通过I/O-link、HART及传统的4-20mA电流环路支持与远端测量和控制设备的云连接。SCADA工业控制系统是另一种形式的IoT，已经被广泛使用多年。”Damian则表示。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 电源管理IC优势何在？ 飞思卡尔非常关注产品的耐用、可靠的产品性能，这个理念贯穿于包括产品定义、测试过程和验证的整个流程，飞思卡尔的电源管理IC具有很好的可靠性；可以组合其微控制器和网络处理器产品组成完整方案，进行交叉销售，帮助客户设计所要求完美的嵌入式解决方案。飞思卡尔电源管理IC通过软件配置输出的上下电顺序、电流输出能力和电压值。同时，其电源管理IC具有一流的轻负载效率，优化系统功耗。 “凌力尔特的电源转换IC提供必要的功能和性能，使这种功率值较低的能量收集系统能够用于物联网。”Tony说。 LTC3331是一款完整的能量收集调节解决方案。LTC3331的能量收集电源由一个接受AC或DC输入的全波桥式整流器和一个高效率同步降压型转换器组成，从压电（AC）、太阳（DC）或磁性（AC）能源收集能量。当可收集能量可用时，它提供高达50mA的连续输出电流，以延长电池寿命。当用收集的能量向负载提供稳定的功率时，该器件无需电池提供电源电流，当在无负载情况下由电池供电时，工作电流仅为950nA。 另一个例子是LTC3388-1/LTC3388-3。该器件是一款20V输入同步降压型转换器，可提供高达50mA的连续输出电流，采用3mm×3mm（或MSOP10-E）封装。LTC3388-1/LTC3388-3在2.7V至20V的输入电压范围内工作，因此非常适合多种能量收集和电池供电物联网应用，包括“保持有效”传感器和工业控制电源。LTC3388-1/LTC3388-3采用同步迟滞整流，以在很宽的负载电流范围内优化效率。该器件在15μA至50mA负载时能够提供超过90%的效率，仅需要400nA静态电流，从而能够延长用作辅助电源的电池的寿命。 在移动领域，对于智能手机等设备，Maxim凭借拥有专利的ModelGauge技术，成为PMIC和电池流量计领域的市场领导者。“我们正在将移动领域的优势扩展至IoT可穿戴设备市场，这点体现在MAX14676，这是一款适用于IoT可穿戴应用的充电管理方案，例如健身手表。该器件的工作电流极低，集成了多片DC-DC稳压器、电池充电器，以及嵌入式ModelGauge电池电量计。MAX14676采用小尺寸42焊球WLP封装，只有3.497mm×3.118mm大小。这种带有嵌入式知识产权（IP）的高度模拟集成对于寻求最小电源方案的客户非常有价值，使方案的功耗达到最低，以延长产品的工作时间。”Damian说。 在工业领域，Maxim在POL电源调节器和高压降压转换器领域具有强大优势。许多工业应用需要高电压降压转换器，以较小的方案尺寸提供高效率。Maxim的喜马拉雅系列60V降压转换器，如MAX17552，是第一款带有内部补偿和同步整流的高压降压型电源方案。MAX17552的优势在于输入电压安全裕量，无需分立式肖特基二极管，具有较高的效率，无需外部补偿元件。相对于最接近的竞争产品，该器件的效率提高8%，方案尺寸减小50%，外部元件数量减少75%。对于紧凑型及功耗敏感的工业IoT应用，例如微型PLC和4-20mA环路传感器，MAX17552提供了最优化解决方案。 对于通信领域的电源产品，Maxim的POE电源控制器方案占有极为重要的位置，满足POE+和即将施行的IEEE P802.3bt标准。利用有线LAN基础设施实现供电和通信能力，使得POE成为IoT世界的一项重要技术支撑。Maxim最新发布的参考设计为POE供电的LED灯，该参考设计可通过Android或iOS智能手机应用进行控制。参考设计演示POE在住宅和商业照明应用领域的IoT能力。参考设计展示MAX5969A受电设备控制器、MAX15062降压型DC-DC转换器，以及MAX16832A高亮度LED驱动器。 “过去几年安森美半导体一直专注于提升轻载和空载的能效。例如，过去为达到美国能源之星标准或欧洲行为准则认证，某些产品的空载待机能耗必须小于0.5瓦。这些标准的认证水平现已提高至小于0.1瓦，但安森美半导体的方案可低至0.01瓦。为解决这一挑战，安森美半导体已开发新的晶圆工艺技术及创新的电路以降低功耗。这技术能力让我们令产品在低功率应用中更具高能效。从技术角度来看，我们的一个关键优势是直接连接至高压电源的能力。安森美半导体在高压处理能力方面已是先锋，提供多个器件和电路优化用于感测输入电压同时将功耗降至最低。我们现在提供完整的解决方案，不仅在满载时提供高能效电源，而且在低输入电压和轻载时智能地优化功耗。”Tim表示。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 物联网应用电源设计的迫切需求 “物联网应用电源设计面临着很多挑战，比如面积限制、高于90%的转换效率、低功耗模式下的低漏电流和低静态电流、散热管理和设计的复杂性等等。”闫子波说，“最终的软件编码也会影响功耗的大小，因此在软件完成之前在硬件优化的电源性能不一定是最优的设计。” “在功率范围的‘低’端，WSN、传感器和物联网设备中的毫微功率转换变得越来越常见，因此需要能够用非常小的功率和电流工作的电源转换IC。这些功率和电流常常分别为数十微瓦和数十纳安。但是，工作在不到1μA电流的可用电源转换产品（包括电池充电器）却极其有限。”Tony补充说。 Damian表示：“IoT可穿戴设备等移动应用对功耗非常敏感，并且空间极为狭小。减小方案尺寸、降低物料清单（BOM）成本对于我们的客户非常重要。我们的电源设计挑战在于实现极高模拟整合水平的同时，将分立式无源元件的数量降至最少。另一项挑战是优化电源电路结构，实现最佳的电源效率。” 他认为，IoT设备的最大挑战之一是电池寿命，其中许多设备的静态电流非常低，以最大程度地延长充电间隔。在有些情况下，因为IoT设备“始终打开”，要求静态电流极低。对于其它应用，由于设备大部分时间处于休眠模式，所以静态功耗非常重要。这些静态电流远远低于传统的智能手机，使得当今许多电源管理方案不太适合。 IoT领域的重要部分是与数据中心的云连接。IoT和大数据分析将明显增大数据中心的能源需求。这意味着数据中心服务器的电源方案必须解决高负载电流时的高功率密度。随着数字处理器的工艺构造达到28nm、速度提高至1GHz以上，直流电源转换器必须支持低压核电压的较高负载电流，并提供卓越的瞬态响应。此类应用中的负载电流可达到150A@1.0V核心电源轨，瞬态达到30A/us。结合负载要求，数据中心电源管理方案必须提供最高效率，效率达到95%，以降低散热和节省能源成本。对于为下一代数据中心服务器应用开发POL电源方案的IC设计者，面临多项挑战。 车联网的涌现使得汽车成为另一个重要的IoT市场。车联网领域的强大市场驱动在于对信息娱乐系统、驾驶者安全和无线云连接的旺盛需求。汽车IoT市场带来了独特的电源设计挑战。无线音响单元中的半导体部件成指数增长，其中包括了汽车中不同的电子子系统。这些子系统要求电源管理IC必须能够应对严苛的设计挑战，例如负载冲击瞬态（高达42V）、冷启动条件下工作（低至5V）、电磁干扰（AM波段）、宽工作温度（高达+105°C）、超低待机电流，以及优异的电源转换效率。为克服艰难的设计挑战，模拟电源公司需要采用正确的技术组合、IC工艺，以及具有产品定义经验的IC设计天才。 Tim则认为：“物联网电源设计的最大挑战是参与并支持可能对电源管理不熟悉的不同设计群组。虽然电源方案看似简单，但它的确需要模拟电源设计的专知以完成强固的方案，同时也以高性价比的方式符合终端产品的需求。为此安森美半导体提供在线工具，如GreenPoint，客户可在构建一个硬件的实施前建立并仿真他们的设计。” 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 应物联网需求量身打造最新电源管理 “为了帮助设计师应对物联网设备需要较低功率转换的挑战，凌力尔特公司一直在开发具备必要性能特点以满足这类应用需求的电源转换和管理IC。这些IC的一些特色和功能包括：低备用静态电流——一般低于6μA，可低至450nA；低启动电压——低至20mA；高输入电压能力——高达34V连续和40V瞬态；能够接受AC输入；多路输出能力和自主的系统电源管理；面向太阳能输入的最大功率点控制（MPPC）；解决方案占板面积紧凑，所需外部器件最少。”Tony说。 “对于IoT电源领域，Maxim具有独特的综合优势：丰富的产品、IP算法、封装技术、制造工艺及终端设备知识，以及卓越的设计、产品定义和应用工程天才。得益于以上因素，Maxim能够整合各种技术优势，解决IoT领域面临的各种电源设计挑战。”Damian指出，“以移动IoT领域为例，我们能够整合多种不同的电源和电池管理功能，例如多个开关模式POL电源、多个线性调节器、电池充电、电池电量计以及USB-AC适配器智能电源开关。此外，我们能够集成耳麦音频放大器、扬声器音频放大器、混合信号ADC/DAC通道、GPIO和实时时钟功能。这是Maxim整合多种学科来集中解决客户奇特需求的一个例子，例如方案尺寸和BOM成本。” 为延长IoT设备中的电池寿命，MAX14676优化用于在极低工作电流下提供高效率。器件集成ModelGauge算法，能够为当前可用的任何方案提供最高精度的电量计量，有效延长电池寿命。高准确度使其能够在较深放电水平下可靠工作。 MAX16993为汽车PMIC，解决了无线音响单元设计问题。MAX16993的效率超过90%，集成了解决负载冲击、冷启动、EMI、温度范围及待机电流所需的全部功能。这是Maxim充分利用IC工艺、设计天才和产品定义知识来解决IoT挑战的例子。 “我们正借助专门设计PMIC的专业技术来设计复杂的电路，以此满足系统的要求。能源管理系统就是其中一个解决方案。”Cypress公司谈道。 Cypress面向能量收集的电源管理IC有两款：用于光/振动能量采集的超低功耗降压电源管理IC——MB39C811，和用于光电/热电能量采集的超低输入升压电源管理IC的MB39C831（图4）。

图4：MB39C811/831能量收集系统结构框图
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MB39C811包括低功耗的全波桥式整流器，以及比较器方式的高效率降压型DC/DC转换器。它为高输出阻抗的能量源（如压电换能器）提供能量采集解决方案。 MB39C811能够选择8个预置的输出电压，并能提供高达100mA的输出电流。 MB39C831则是一个高效率同步整流升压直流/直流转换器IC，它能够有效地将从光电器件（包括单串或多串）或从热电器件（TEG）获取的能量提供给锂离子电池。 它具有调整DC-DC转换器输出，使光电器件能够工作在最大功率点的功能（MPPT：最大功率点跟踪），并具有安全地给锂离子电池充电的保护功能。它可以从0.35V的低输入电压起动，适用于使用单串光电器件作为输入的应用。 “我们计划推出第二代电源管理PMIC，它会显著减少电源损耗量与操作中的电压。这样才能让小传感器模块与小太阳能电池相结合。”Cypress公司补充说。 “安森美半导体正为低功率应用创建更多的参考设计和支持工具。我们的在线设计工具每月完成2,000多个设计。这令设计工程师有经证实的方案作为起点，利用可用设计以确保他们不会延迟生产其核心终端产品。系统级方案可在实施硬件前被修改和优化。安森美半导体还有强大的现场支援工程团队、在线技术帮助和区域技术专家在客户的设计流程中帮助他们。从我们客户的反馈，已证实安森美半导体的仿真和设计流程已为他们节省了数周至数月的产品开发周期。 “安森美半导体将推出更多低功率产品如NCP1060、NCP1070，将脉宽调制（PWM）控制器和MOSFET集成到单个封装中。我们的集成转换器减少了元器件总数量，且更易于实现设计。这类典型的电源产品可减少一半的总元件数，并减少1/4的产品尺寸/重量。安森美半导体还提供初级端稳压产品如NCP1360，更进一步减少元器件，应对空间受限的物联网设备的要求。它无需光耦这种典型的在系统中MTBF（平均故障间隔时间）最低的元件，从而成为更强固的电源。安森美半导体正定期增加数字含量嵌入到我们的模拟控制器和转换器，以令产品更通用，从而更适合快速演变的市场如物联网。数字部分的可编程性使我们能快速提供新的产品配置，因应将来电源需求的变化。”Tim最后表示。 【分页导航】 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载