【導讀】本文探討物聯網(IoT)電池技術。將描述設計人員麵臨的一些電源問題，以及ADI公司提供的解決方案。這些解決方案非常高效，可以幫助克服物聯網設備中的其他問題，包括尺寸
、重量和溫度。

隨著物聯網設備越來越多地用於工業設備、家居自動化和醫療應用中
，通過減小外形尺寸、提高效率、改善電流消耗，或者加快充電時間（對於便攜式物聯網設備）來優化這些設備的電源管理的壓力也越來越大。所有這些都必須以小尺寸實現，既不能影響散熱

，也不能幹擾這些設備實現無線通信。

什麼是物聯網？

這(zhe)個(ge)特(te)定(ding)的(de)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)存(cun)在(zai)多(duo)種(zhong)表(biao)現(xian)形(xing)式(shi)。它(ta)通(tong)常(chang)是(shi)指(zhi)一(yi)種(zhong)智(zhi)能(neng)聯(lian)網(wang)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)，可(ke)能(neng)由(you)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)

，並(bing)將(jiang)預(yu)先(xian)計(ji)算(suan)的(de)數(shu)據(ju)發(fa)送(song)給(gei)基(ji)於(yu)雲(yun)的(de)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)。它(ta)利(li)用(yong)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)集(ji)合(he)體(ti)（例如處理器、通信IC和傳感器）來收集、xiangyingshuju，bingjiangshujufasonghuiwangluodezhongxinweizhihuoqitajiedian。zhekeyishirenhedongxi，lirujiandandewenduchuanganqi，yongyuxiangzhongyangjiankongquyubaogaoshiwen

，huozheshebeijiankangjianceqi，yongyugenzongjiancejiagegaoangdegongchangshebeidechangqijiankangzhuangkuang。

zuizhong，kaifazhexieshebeishiweilejiejuetedingtiaozhan，wulunshiweilezidongzhixingtongchangxuyaorengongganyuderenwu，birujiajuhuolouyuzidonghua
，haishizaigongyewulianwangyingyongzhongtigaoshebeidekeyongxingheshiyongshouming，ruguokaolvzaijiyujiagoudeyingyong（例如橋梁）中實現狀態監控應用，甚至可以提升安全性。

應用示例

物(wu)聯(lian)網(wang)設(she)備(bei)的(de)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)幾(ji)乎(hu)沒(mei)有(you)止(zhi)境(jing)，每(mei)天(tian)都(dou)會(hui)考(kao)量(liang)新(xin)的(de)設(she)備(bei)和(he)使(shi)用(yong)情(qing)況(kuang)。基(ji)於(yu)智(zhi)能(neng)發(fa)射(she)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)收(shou)集(ji)有(you)關(guan)其(qi)所(suo)處(chu)環(huan)境(jing)的(de)數(shu)據(ju)，以(yi)做(zuo)出(chu)控(kong)製(zhi)溫(wen)度(du)、觸chu發fa警jing報bao或huo自zi動dong執zhi行xing特te定ding任ren務wu的de相xiang關guan決jue策ce。此ci外wai，煤mei氣qi表biao和he空kong氣qi質zhi量liang測ce量liang係xi統tong這zhe類lei便bian攜xie式shi儀yi器qi可ke以yi通tong過guo雲yun向xiang控kong製zhi中zhong心xin提ti供gong準zhun確que的de測ce量liang結jie果guo。GPS跟蹤定位係統是另一種應用。例如可以通過智能耳標追蹤集裝箱牲畜（例如奶牛）。這些隻是雲連接設備中的一小部分。其他領域包括可穿戴醫療健康應用和基礎設施檢測應用。

gongyewulianwangyingyongshiyigezhongyaodezengchanglingyu
，tashiyizhinenggongchangweizhongxindedisicigongyegemingdeyibufen。xuduowulianwangyingyongzuizhongdouzaichangshijinkenengshixiangongchangzidonghua
，wulunshitongguoshiyongzidongdaoyinche(AGV)、智能傳感器（例如RF標簽或壓力表），或者是部署在工廠周圍的其他環境傳感器。

ADI公司認為，物聯網主要側重五大領域：

●    智能健康——支持臨床水平和消費者應用的生命體征監測應用。

●    智能工廠——側重於通過提高工廠的快速響應能力、使工廠更靈活
、更精簡
，以構建工業4.0。

●    智能樓宇/智慧城市——利用智能傳感技術來執行樓宇安全、車位占用檢測，以及實施溫度和電氣控製。

●    智能農業——利用現有技術實現自動化農業並提升資源利用效率。

●    智能基礎設施——基於狀態監控技術來監測移動和結構健康。

有關這些關注領域以及現有相關支持技術的更多信息，請訪問 analog.com/IoT。

物聯網設計挑戰

在zai不bu斷duan發fa展zhan的de物wu聯lian網wang應ying用yong領ling域yu，設she計ji人ren員yuan麵mian臨lin哪na些xie主zhu要yao挑tiao戰zhan？這zhe些xie設she備bei或huo節jie點dian大da多duo數shu是shi在zai事shi後hou安an裝zhuang的de
，或huo安an裝zhuang在zai難nan以yi接jie近jin的de位wei置zhi，因yin此ci無wu法fa為wei其qi供gong電dian。這zhe意yi味wei著zhe需xu要yao完wan全quan依yi賴lai電dian池chi和he/或能量收集方式供電。

zaidaxinggongchangzhouweichuanshudianlikenengchengbengaoang。liru，jiasheyaoweigongchangzhongdepianyuanwulianwangjiediangongdian。ruguotongguobushuxindianlanweigaishebeigongdian，bujinshishichengbengaoang
，erqiejiweihaoshi
，suoyiyibandouhuixuanzeshiyongdianchihuonengliangshoujifangshiweizhexiepianyuanjiediangongdian。

yilaidianchigongdianjiuxuyaozunxunyangedegonglvyusuan
，yiquebaojinkenengyanchangdianchishouming
，zhebiranhuiyingxiangshebeidezongyongyouchengben。shiyongdianchidelingyigequedianjiushizaidianchibaofeizhihouxuyaogenghuandianchi。zhebaokuodianchibenshendechengben，yijigenghuandianchiheqizhijiudianchidegaoerenlichengben。

另ling外wai還hai要yao考kao慮lv電dian池chi的de成cheng本ben和he尺chi寸cun，這zhe往wang往wang會hui導dao致zhi對dui電dian池chi過guo度du設she計ji
，以yi確que保bao其qi擁yong有you足zu夠gou容rong量liang，從cong而er滿man足zu電dian池chi的de使shi用yong壽shou命ming要yao求qiu，一yi般ban是shi要yao求qiu超chao過guo10年nian。但dan是shi，過guo度du設she計ji會hui額e外wai增zeng加jia電dian池chi的de成cheng本ben和he尺chi寸cun
，因yin此ci，我wo們men不bu僅jin要yao優you化hua功gong率lv預yu算suan，還hai要yao盡jin可ke能neng減jian少shao能neng源yuan使shi用yong
，使shi電dian池chi尺chi寸cun足zu夠gou小xiao
，同tong時shi仍reng能neng夠gou滿man足zu設she計ji要yao求qiu。

物聯網供電

為了方便討論，我們將物聯網應用中的電源分為以下三種情況：

●    使用不可充電電池（原電池）的設備

●    需要使用可充電電池的設備

●    利用能量收集來提供係統電源的設備

這些電源可以單獨使用，或根據應用需要組合使用。

原電池應用

大da家jia都dou知zhi道dao各ge種zhong不bu同tong的de原yuan電dian池chi應ying用yong，這zhe些xie也ye稱cheng為wei不bu可ke充chong電dian電dian池chi應ying用yong。主zhu要yao用yong於yu偶ou爾er需xu要yao用yong電dian的de應ying用yong，也ye就jiu是shi說shuo，設she備bei偶ou爾er通tong電dian，然ran後hou重zhong新xin進jin入ru深shen度du睡shui眠mian模mo式shi，所suo以yi耗hao電dian很hen少shao。使shi用yong原yuan電dian池chi供gong電dian的de主zhu要yao優you勢shi在zai於yu：它提供高電能密度，設計簡單（因為無需包含電池充電/管理電路）
，以及成本較低（因為電池更便宜
，所需的電子器件更少）。它們非常適合低成本
、低di功gong耗hao的de放fang電dian應ying用yong，但dan是shi，因yin為wei這zhe些xie電dian池chi的de壽shou命ming有you限xian，所suo以yi不bu太tai適shi合he功gong耗hao略lve高gao的de應ying用yong
，而er更geng換huan電dian池chi會hui產chan生sheng額e外wai的de電dian池chi成cheng本ben以yi及ji更geng換huan電dian池chi的de人ren工gong成cheng本ben。

想(xiang)象(xiang)一(yi)下(xia)擁(yong)有(you)許(xu)多(duo)節(jie)點(dian)的(de)大(da)型(xing)物(wu)聯(lian)網(wang)裝(zhuang)置(zhi)。當(dang)您(nin)請(qing)技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)現(xian)場(chang)更(geng)換(huan)一(yi)台(tai)設(she)備(bei)的(de)電(dian)池(chi)時(shi)，通(tong)常(chang)會(hui)一(yi)次(ci)性(xing)更(geng)換(huan)所(suo)有(you)電(dian)池(chi)
，以(yi)節(jie)省(sheng)人(ren)工(gong)成(cheng)本(ben)。毫(hao)無(wu)疑(yi)問(wen)，這(zhe)是(shi)一(yi)種(zhong)浪(lang)費(fei)，隻(zhi)會(hui)加(jia)劇(ju)全(quan)球(qiu)浪(lang)費(fei)問(wen)題(ti)。更(geng)重(zhong)要(yao)的(de)一(yi)點(dian)，不(bu)可(ke)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)隻(zhi)提(ti)供(gong)了(le)最(zui)初(chu)製(zhi)造(zao)電(dian)池(chi)所(suo)用(yong)電(dian)量(liang)的(de)2%。約98%的電量浪費使得這種電源的經濟效益非常低。

顯(xian)然(ran)
，它(ta)們(men)在(zai)基(ji)於(yu)物(wu)聯(lian)網(wang)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)確(que)有(you)一(yi)席(xi)之(zhi)地(di)。相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)的(de)初(chu)始(shi)成(cheng)本(ben)使(shi)其(qi)非(fei)常(chang)適(shi)合(he)低(di)功(gong)耗(hao)應(ying)用(yong)。它(ta)們(men)提(ti)供(gong)多(duo)種(zhong)類(lei)型(xing)和(he)尺(chi)寸(cun)選(xuan)擇(ze)
，而(er)且(qie)無(wu)需(xu)使(shi)用(yong)額(e)外(wai)的(de)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)來(lai)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)或(huo)管(guan)理(li)，所(suo)以(yi)是(shi)簡(jian)單(dan)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。

從cong設she計ji角jiao度du來lai看kan
，關guan鍵jian挑tiao戰zhan在zai於yu如ru何he充chong分fen利li用yong這zhe些xie小xiao型xing電dian源yuan提ti供gong的de電dian力li。為wei此ci
，我wo們men需xu要yao花hua費fei大da量liang時shi間jian來lai製zhi定ding功gong率lv預yu算suan計ji劃hua
，以yi確que保bao盡jin量liang延yan長chang電dian池chi的de使shi用yong壽shou命ming，設she計ji目mu標biao一yi般ban是shi10年。

對於原電池應用，我們可以考慮使用微功耗產品係列中的兩款產品： LTC3337 微功耗庫侖計數器和 LTC3336 微功耗降壓穩壓器，如圖1所示。

圖1.LTC3337和LTC3336應用電路。

LTC3336是一款低功耗DC-DC轉換器，輸入電壓可高達15 V
，峰值輸出電流可編程。輸入可以低至2.5 V，因此非常適合電池供電應用。

在空載狀態下調節時，靜態電流可能非常低
，僅65 nA。隨著DC-DC轉換器不斷改進，可輕鬆設置並用於新設計中。輸出電壓可根據OUT0至OUT3引腳的連接方式進行編程設置。

LTC3336的配套器件是LTC3337，這是一款微功耗原電池健康狀態監視器和庫侖計數器。這是另一款可輕鬆用於新設計的產品，隻需按照峰值電流要求（在5 mA至100 mA範圍內）連接IPK引腳。根據選定的電池進行一些計算，然後填入基於選擇的峰值電流推薦的輸出電容，具體參見數據手冊。

最(zui)終(zhong)，為(wei)功(gong)率(lv)預(yu)算(suan)有(you)限(xian)的(de)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)找(zhao)出(chu)合(he)適(shi)的(de)配(pei)套(tao)設(she)備(bei)。這(zhe)些(xie)產(chan)品(pin)能(neng)夠(gou)準(zhun)確(que)監(jian)測(ce)原(yuan)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)量(liang)使(shi)用(yong)情(qing)況(kuang)，並(bing)將(jiang)輸(shu)出(chu)高(gao)效(xiao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)可(ke)用(yong)的(de)係(xi)統(tong)電(dian)壓(ya)。

可充電電池應用

xianzai，womenlaikankankechongdianyingyong。duiyuxuyaogenggaogonglvhuogenggaofangdiandewulianwangyingyong
，yuandianchigenghuanpinlvxianranbuheshi
，kechongdiandianchijiangshiyigebucuodexuanze。dianchidechushichengbenyijichongdiandianlushikechongdiandianchiyingyongdechengbengenggao
，danzaixuyaopinfanfangdianhechongdiandegaofangdianyingyongzhong
，zhezhongchengbenshihelide，henkuainengshixianhuiben。

genjusuoshiyongdehuaxuewuzhi，kechongdiandianchiyingyongdechushidianliangkenengbiyuandianchidi，dancongchangyuanlaikan，xiaolvgenggao，zongtilaishuo
，langfeigengshao。genjudianlixuqiu

，haikeyixuanzedianronghuochaojidianrongcunchu，dantamengengduoyongyuduanqihoubeicunchu。

根據所使用的化學物質
，電池充電涉及幾種不同的模式和工作特性(specialist profiles)。例如，圖2中顯示的鋰離子電池的充電特性曲線。底部為電池電壓
，縱軸表示充電電流。

圖2.充電電流與電池電壓的關係。

當電池嚴重放電時，如圖2左側所示，充電器需要具有足夠智能，讓電池進入預充電模式，使電池電壓緩慢增加到安全水平
，然後進入恒流模式。

在恒流模式下，充電器將設定的電流輸入電池，直到電池電壓升至設定的浮充電壓。

shedingdedianliuhedianyajunqujueyusuoyongdedianchileixing
，chongdiandianliushouchongdiansulvhesuoxudechongdianshijianxianzhi，fuchongdianyazejiyubaochidianchianquandeyuzhi。xitongshejirenyuankeyigenjuxitongxuyao，tongguoshaoweijiangdifuchongdianyalaibangzhuyanchangdianchideshiyongshouming，yuzhenduidianyuandekaoliangyiyang，jiushijinxingquanhenghequshe。

達到浮充電壓之後
，充電電流會降至零
，並且會根據終止算法使該電壓保持一段時間。

圖3顯示了3電池應用隨時間變化的行為特性曲線。紅色線條表示電池電壓，藍色線條表示充電電流。它在恒流模式下啟動
，最高電流達2 A
，直至電池電壓達到12.6 V恒壓閾值。充電器在終止定時器定義的時長內保持此電壓，在本例中，時長為4個小時。許多充電器產品都支持編程設置該時間。

圖3.充電電壓/電流與時間的關係。

有關電池充電和一些可用產品的更多信息，請參閱《模擬對話》文章 “適用於任何化學物的簡單電池充電器IC”。

圖4顯示了一個不錯的多功能降壓型電池充電器( LTC4162)示例，它可以提供高達3.2 A充電電流
，適合用於多種應用，包括便攜式儀器儀表和需要更大電池或電池組的應用。它也可用於從太陽能充電。

圖4.LTC4162：3.2 A降壓型電池充電器。

能量收集應用

zaishiyongwulianwangyingyongheqidianyuanshi
，lingyigekeyikaolvdexuanxiangshinengyuanshouji。dangran，duiyuxitongshejirenyuanlaishuo
，xuyaokaolvduofangmianyinsu，danmianfeinengyuandexiyinlibunengdigu
，youqishidianyuanyaoqiubutaiyangeqieanzhuangweizhibunengchuji（即技術維修人員接觸不到）的應用。

有許多不同的能源可供選擇
，也並非一定是戶外應用才使用這種方式。太陽能以及壓電或振動能量
、熱電能
，甚至RF能量都是可以收集的（雖然其功率電平很低）。

圖5顯示使用不同收集方法時相應的電能水平。

圖5.能源和可用於各種應用的大致電能水平。

至於缺點，與之前討論的其他電源相比，其初始成本更高，因為需要使用收集元件，例如太陽能電池板、壓電接收器或珀爾帖效應元件，以及電能轉換IC和相關的使能組件。

另一個缺點是解決方案的整體尺寸更大
，特別是與紐扣電池這樣的電源相比。使用能量收集器和轉換IC時，很難實現小型解決方案。

zaixiaolvfangmian

，guanlididiannengshuipingyeshiyigenanti。yinweixuduodianyuandoushijiaoliudianyuan
，suoyixuyaozhengliu。womenshiyongerjiguanlaishixianzhengliu。shejirenyuanbixukaolvqibenshentexingdaozhidediannengsunshi。zaizengdashurudianyadeqingkuangxia，zhezhongyingxianghuijianruo，danbingfeishizhongruci。

大多數能量收集討論中使用的器件來自 ADP509x 產品係列和 LTC3108，它支持廣泛的能量收集來源，提供多條電源路徑和可編程充電管理選項，可以提供極高的設計靈活性。可以使用多種能源為ADP509x供電，但也可以從電源中提取電能，用於為電池充電或為係統負載供電。從太陽能（室內和室外）到熱電發電機（從可穿戴應用的人體熱量或發動機熱量中提取熱能）
，任何能量來源都可用於為物聯網節點供電。此外還可以從壓電電源中獲取電能
，這增加了另一層靈活性，也是一種很不錯的方式，（例如）可以從運行的電機中提取電能。

圖6.能量收集應用中 ADP5090 的功能框圖。

另一個能夠通過壓電電源供電的器件是 ADP5304，它以較低的靜態電流（空載狀態下一般為260 nA）運行，非常適合低功耗能量收集應用。數據手冊中展示了一個典型的能量收集應用電路（參見圖7），該電路由壓電電源供電，用於為ADC或RF IC供電。

圖7.ADP5304壓電電源應用電路。

電能管理

zaitaolungonglvyusuanyouxiandeyingyongshi
，haiyingdangkaolvdiannengguanli。zaizhakanbutongdedianyuanguanlijiejuefanganzhiqian，shouxianyaozhenduiyingyongzhixinggonglvyusuanjisuan。zhegebuzhouhenzhongyao，keyibangzhuxitongshejirenyuanlejiexitongzhongshiyongdezhongyaozujian


，yijitamenfenbiexuyaoduoshaodianneng。zhehuiyingxiangtamendejueding，shixuanzeyuandianchi
、可充電電池
、能量收集，還是將這些選項組合使用。

zaiyanjiudiannengguanlishi，wulianwangshebeishoujixinhaobingjiangqifasonghuizhongyangxitonghuoyunduandepinlvshilingyigezhongyaoyinsu，taduizhengtigonghaoyouhendayingxiang。yizhongchangjianshouduanshitiaozhengdianyuanshiyongdezhankongbi，huozheyanchanghuanxingshebeishiqishoujihe/或發送數據的時間間隔。

在嚐試管理係統電能使用情況時，對每個電子設備使用待機模式（如果提供）也是一種非常有用的工具。

結論

與所有電子應用一樣
，盡早考慮電路的電源管理部分很重要。這在電源受限的應用（例如物聯網）中(zhong)更(geng)加(jia)重(zhong)要(yao)。在(zai)設(she)計(ji)階(jie)段(duan)盡(jin)早(zao)製(zhi)定(ding)功(gong)率(lv)預(yu)算(suan)有(you)助(zhu)於(yu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)確(que)定(ding)有(you)效(xiao)的(de)路(lu)徑(jing)和(he)合(he)適(shi)的(de)設(she)備(bei)，以(yi)應(ying)對(dui)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)帶(dai)來(lai)的(de)挑(tiao)戰(zhan)，同(tong)時(shi)仍(reng)能(neng)夠(gou)以(yi)小(xiao)尺(chi)寸(cun)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)實(shi)現(xian)高(gao)能(neng)效(xiao)。

參考電路

Frederik Dostal。 “能量收集功率轉換的最新進展”。《模擬對話》，第49卷第3期，2015年9月。

Knoth、Steve。 “適用於任何化學物的簡單電池充電器IC”。模擬對話

，第53卷第1期
，2019年1月。

Grainne Murphy。 “物聯網(IoT)：接下來又會是什麼

？”。ADI公司，2018年1月。

Zachary Pantely。 “通用電池充電器” 。ADI公司，2018年9月。

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