【導讀】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。

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、響xiang應ying數shu據ju
，並bing將jiang數shu據ju發fa送song回hui網wang絡luo的de中zhong心xin位wei置zhi或huo其qi他ta節jie點dian。這zhe可ke以yi是shi任ren何he東dong西xi
，例li如ru簡jian單dan的de溫wen度du傳chuan感gan器qi
，用yong於yu向xiang中zhong央yang監jian控kong區qu域yu報bao告gao室shi溫wen，或huo者zhe設she備bei健jian康kang監jian測ce器qi，用yong於yu跟gen蹤zong監jian測ce價jia格ge高gao昂ang的de工gong廠chang設she備bei的de長chang期qi健jian康kang狀zhuang況kuang。

最zui終zhong，開kai發fa這zhe些xie設she備bei是shi為wei了le解jie決jue特te定ding挑tiao戰zhan，無wu論lun是shi為wei了le自zi動dong執zhi行xing通tong常chang需xu要yao人ren工gong幹gan預yu的de任ren務wu，比bi如ru家jia居ju或huo樓lou宇yu自zi動dong化hua，還hai是shi在zai工gong業ye物wu聯lian網wang應ying用yong中zhong提ti高gao設she備bei的de可ke用yong性xing和he使shi用yong壽shou命ming，如ru果guo考kao慮lv在zai基ji於yu架jia構gou的de應ying用yong（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

wulianwangshebeideyingyonglingyujihumeiyouzhijing，meitiandouhuikaoliangxindeshebeiheshiyongqingkuang。jiyuzhinengfasheqideyingyongshoujiyouguanqisuochuhuanjingdeshuju，yizuochukongzhiwendu、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。

物聯網設計挑戰

zaibuduanfazhandewulianwangyingyonglingyu，shejirenyuanmianlinnaxiezhuyaotiaozhan？zhexieshebeihuojiediandaduoshushizaishihouanzhuangde


，huoanzhuangzainanyijiejindeweizhi，yinciwufaweiqigongdian。zheyiweizhexuyaowanquanyilaidianchihe/或能量收集方式供電。

zaidaxinggongchangzhouweichuanshudianlikenengchengbengaoang。liru，jiasheyaoweigongchangzhongdepianyuanwulianwangjiediangongdian。ruguotongguobushuxindianlanweigaishebeigongdian

，bujinshishichengbengaoang，erqiejiweihaoshi，suoyiyibandouhuixuanzeshiyongdianchihuonengliangshoujifangshiweizhexiepianyuanjiediangongdian。

依yi賴lai電dian池chi供gong電dian就jiu需xu要yao遵zun循xun嚴yan格ge的de功gong率lv預yu算suan
，以yi確que保bao盡jin可ke能neng延yan長chang電dian池chi壽shou命ming
，這zhe必bi然ran會hui影ying響xiang設she備bei的de總zong擁yong有you成cheng本ben。使shi用yong電dian池chi的de另ling一yi個ge缺que點dian就jiu是shi在zai電dian池chi報bao廢fei之zhi後hou需xu要yao更geng換huan電dian池chi。這zhe包bao括kuo電dian池chi本ben身shen的de成cheng本ben，以yi及ji更geng換huan電dian池chi和he棄qi置zhi舊jiu電dian池chi的de高gao額e人ren力li成cheng本ben。

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guo10nian。danshi
，guodushejihuiewaizengjiadianchidechengbenhechicun，yinci，womenbujinyaoyouhuagonglvyusuan，haiyaojinkenengjianshaonengyuanshiyong
，shidianchichicunzugouxiao，tongshirengnenggoumanzushejiyaoqiu。

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
，這些電源可以單獨使用，或根據應用需要組合使用。

●    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

原電池應用

dajiadouzhidaogezhongbutongdeyuandianchiyingyong
，zhexieyechengweibukechongdiandianchiyingyong。zhuyaoyongyuouerxuyaoyongdiandeyingyong，yejiushishuo
，shebeiouertongdian，ranhouzhongxinjinrushendushuimianmoshi
，suoyihaodianhenshao。shiyongyuandianchigongdiandezhuyaoyoushizaiyu：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

、digonghaodefangdianyingyong
，danshi，yinweizhexiedianchideshoumingyouxian，suoyibutaishihegonghaolvegaodeyingyong，ergenghuandianchihuichanshengewaidedianchichengbenyijigenghuandianchiderengongchengben。

xiangxiangyixiayongyouxuduojiediandedaxingwulianwangzhuangzhi。dangninqingjishurenyuanxianchanggenghuanyitaishebeidedianchishi，tongchanghuiyicixinggenghuansuoyoudianchi，yijieshengrengongchengben。haowuyiwen
，zheshiyizhonglangfei
，zhihuijiajuquanqiulangfeiwenti。gengzhongyaodeyidian，bukechongdiandianchizhitigonglezuichuzhizaodianchisuoyongdianliangde2%。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。

zuizhong
，weigonglvyusuanyouxiandewulianwangyingyongzhaochuheshidepeitaoshebei。zhexiechanpinnenggouzhunquejianceyuandianchidedianliangshiyongqingkuang
，bingjiangshuchugaoxiaozhuanhuanweikeyongdexitongdianya。

可充電電池應用

現(xian)在(zai)，我(wo)們(men)來(lai)看(kan)看(kan)可(ke)充(chong)電(dian)應(ying)用(yong)。對(dui)於(yu)需(xu)要(yao)更(geng)高(gao)功(gong)率(lv)或(huo)更(geng)高(gao)放(fang)電(dian)的(de)物(wu)聯(lian)網(wang)應(ying)用(yong)
，原(yuan)電(dian)池(chi)更(geng)換(huan)頻(pin)率(lv)顯(xian)然(ran)不(bu)合(he)適(shi)
，可(ke)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)將(jiang)是(shi)一(yi)個(ge)不(bu)錯(cuo)的(de)選(xuan)擇(ze)。電(dian)池(chi)的(de)初(chu)始(shi)成(cheng)本(ben)以(yi)及(ji)充(chong)電(dian)電(dian)路(lu)使(shi)可(ke)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)應(ying)用(yong)的(de)成(cheng)本(ben)更(geng)高(gao)，但(dan)在(zai)需(xu)要(yao)頻(pin)繁(fan)放(fang)電(dian)和(he)充(chong)電(dian)的(de)高(gao)放(fang)電(dian)應(ying)用(yong)中(zhong)，這(zhe)種(zhong)成(cheng)本(ben)是(shi)合(he)理(li)的(de)，很(hen)快(kuai)能(neng)實(shi)現(xian)回(hui)本(ben)。

根gen據ju所suo使shi用yong的de化hua學xue物wu質zhi
，可ke充chong電dian電dian池chi應ying用yong的de初chu始shi電dian量liang可ke能neng比bi原yuan電dian池chi低di，但dan從cong長chang遠yuan來lai看kan
，效xiao率lv更geng高gao
，總zong體ti來lai說shuo，浪lang費fei更geng少shao。根gen據ju電dian力li需xu求qiu，還hai可ke以yi選xuan擇ze電dian容rong或huo超chao級ji電dian容rong存cun儲chu，但dan它ta們men更geng多duo用yong於yu短duan期qi後hou備bei存cun儲chu。

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。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(zuo)側(ce)所(suo)示(shi)，充(chong)電(dian)器(qi)需(xu)要(yao)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)智(zhi)能(neng)，讓(rang)電(dian)池(chi)進(jin)入(ru)預(yu)充(chong)電(dian)模(mo)式(shi)，使(shi)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)緩(huan)慢(man)增(zeng)加(jia)到(dao)安(an)全(quan)水(shui)平(ping)，然(ran)後(hou)進(jin)入(ru)恒(heng)流(liu)模(mo)式(shi)。在(zai)恒(heng)流(liu)模(mo)式(shi)下(xia)，充(chong)電(dian)器(qi)將(jiang)設(she)定(ding)的(de)電(dian)流(liu)輸(shu)入(ru)電(dian)池(chi)，直(zhi)到(dao)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)升(sheng)至(zhi)設(she)定(ding)的(de)浮(fu)充(chong)電(dian)壓(ya)。

shedingdedianliuhedianyajunqujueyusuoyongdedianchileixing，chongdiandianliushouchongdiansulvhesuoxudechongdianshijianxianzhi，fuchongdianyazejiyubaochidianchianquandeyuzhi。xitongshejirenyuankeyigenjuxitongxuyao，tongguoshaoweijiangdifuchongdianyalaibangzhuyanchangdianchideshiyongshouming
，yuzhenduidianyuandekaoliangyiyang，jiushijinxingquanhenghequshe。dadaofuchongdianyazhihou，chongdiandianliuhuijiangzhiling，bingqiehuigenjuzhongzhisuanfashigaidianyabaochiyiduanshijian。

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。

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

在zai使shi用yong物wu聯lian網wang應ying用yong和he其qi電dian源yuan時shi
，另ling一yi個ge可ke以yi考kao慮lv的de選xuan項xiang是shi能neng源yuan收shou集ji。當dang然ran，對dui於yu係xi統tong設she計ji人ren員yuan來lai說shuo

，需xu要yao考kao慮lv多duo方fang麵mian因yin素su
，但dan免mian費fei能neng源yuan的de吸xi引yin力li不bu能neng低di估gu，尤you其qi是shi電dian源yuan要yao求qiu不bu太tai嚴yan格ge且qie安an裝zhuang位wei置zhi不bu能neng觸chu及ji（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。

在zai研yan究jiu電dian能neng管guan理li時shi，物wu聯lian網wang設she備bei收shou集ji信xin號hao並bing將jiang其qi發fa送song回hui中zhong央yang係xi統tong或huo雲yun端duan的de頻pin率lv是shi另ling一yi個ge重zhong要yao因yin素su，它ta對dui整zheng體ti功gong耗hao有you很hen大da影ying響xiang。一yi種zhong常chang見jian手shou段duan是shi調tiao整zheng電dian源yuan使shi用yong的de占zhan空kong比bi，或huo者zhe延yan長chang喚huan醒xing設she備bei使shi其qi收shou集ji和he/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）zhonggengjiazhongyao。zaishejijieduanjinzaozhidinggonglvyusuanyouzhuyuxitongshejirenyuanquedingyouxiaodelujingheheshideshebei

，yiyingduizhexieyingyongdailaidetiaozhan，tongshirengnenggouyixiaochicunjiejuefanganshixiangaonengxiao。

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