能夠監(jiān)視從心率、房間溫度到大樓房客等每樣事情的互聯(lián)設(shè)備在日益增多，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 指的就是這類(lèi)互聯(lián)設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)。新應(yīng)用每天都在產(chǎn)生，以通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)測(cè)量和報(bào)告各類(lèi)數(shù)據(jù)，這些無(wú)線局域網(wǎng)也許再通過(guò)網(wǎng)關(guān)直接連至互聯(lián)網(wǎng)。如果專(zhuān)家們所說(shuō)正確，那么要不了多久，我們只要在智能手機(jī)上滑動(dòng)一下手指，就能夠監(jiān)視健康情況和家中每一樣電器的狀態(tài)、關(guān)上所有電燈并準(zhǔn)確得知寵物們?cè)谀睦�。無(wú)處不在的無(wú)線監(jiān)視系統(tǒng)使我們能夠隨時(shí)隨地觀察和控制周?chē)�的一切�?/p>

從更貼近實(shí)用的角度來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)也已經(jīng)出現(xiàn)在工業(yè)環(huán)境中，其表現(xiàn)形式是排列成龐大網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳感器陣列。這類(lèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用在世界各地的工廠、工業(yè)場(chǎng)所以及車(chē)輛和機(jī)械系統(tǒng)中，以監(jiān)視關(guān)鍵參數(shù)，提高安全性和可靠性，并及時(shí)維護(hù)設(shè)備。無(wú)論這類(lèi)無(wú)線設(shè)備打算用于何種用途，都面臨一個(gè)共同的問(wèn)題：怎樣獲得電源?

顯然，有很多方法可以考慮。無(wú)線監(jiān)視器應(yīng)該很小且不顯眼，應(yīng)該需要最低限度的維護(hù)。專(zhuān)家們建議，在明天的物聯(lián)網(wǎng)世界中，很多這類(lèi)設(shè)備將通過(guò)優(yōu)化的能量收集器自助供電，能量收集器可以提供無(wú)窮無(wú)盡的電源。盡管這種前景聽(tīng)起來(lái)很理想，而且在提高能量收集的實(shí)用性方面也取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，但是今天的解決方案在尺寸和性能方面常常不盡人意，而且總是會(huì)需要電源但卻沒(méi)有可收集能量可用的情況存在。幸運(yùn)的是，存在為長(zhǎng)壽命、低平均功耗應(yīng)用而優(yōu)化的電池技術(shù)，例如適用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的那些電池技術(shù)。

鋰亞硫酰氯：理想的無(wú)線傳感器能源

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用往往有類(lèi)似的功率和能量要求。遠(yuǎn)程監(jiān)視器的平均功率通常都非常低，偶爾需要以突發(fā)模式測(cè)量及廣播數(shù)據(jù)。因此對(duì)這類(lèi)應(yīng)用而言，電池是否理想應(yīng)該看能量密度而不是功率密度。此外，應(yīng)該最大限度減少電池自放電，以實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)工作時(shí)間，并減少更換電池所需的宕機(jī)和維護(hù)之高昂費(fèi)用。對(duì)這類(lèi)應(yīng)用而言，一種出色的電池技術(shù)是鋰亞硫酰氯 (Li-SOCL₂)。這種電池化學(xué)組成的自放電速度極低 (幾家供應(yīng)商稱(chēng)其電池的存放壽命超過(guò) 20 年)、能量密度很高并提供相對(duì)較高的 3.6V 典型工作電壓。很多供應(yīng)商都提供大量不同形狀、尺寸和容量的鋰亞硫酰氯電池。不過(guò)，與大多數(shù)高度專(zhuān)業(yè)化的技術(shù)一樣，實(shí)現(xiàn)實(shí)用性的同時(shí)也伴隨著其他的一些折衷。

使用長(zhǎng)壽命電池的挑戰(zhàn)

在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，要實(shí)現(xiàn) Li-SOCL₂ 電池的壽命 (容量) 優(yōu)勢(shì)需要特別謹(jǐn)慎。如在圖 1 中可以看到的那樣，鋰亞硫酰氯電池具有非常高的輸出阻抗�？蓪�(shí)現(xiàn)極低自放電和于貨架長(zhǎng)壽命的化學(xué)反應(yīng) (鈍化形成) 具有限制可用輸出電流的不良影響。即使當(dāng)鈍化層由于電池周期性荷載而已經(jīng)消散，但對(duì)于給定的安培-小時(shí)容量額定值，可以提供的峰值電流相比之下低于其他的電池化學(xué)組成。就鋰亞硫酰氯電池而言，大的吸收電流不僅導(dǎo)致工作電壓下降，而且還造成電池容量減少。以一個(gè) 100mA DC 負(fù)載來(lái)運(yùn)作圖 1 中的電池將產(chǎn)生 9 安培-小時(shí)的容量，這大大低于支持一個(gè) 4mA 負(fù)載時(shí)出現(xiàn)的 19 安培-小時(shí)峰值。于是，需要短暫大峰值電流的應(yīng)用必須使用與電池相并聯(lián)的電容存儲(chǔ)器 (以處理周期性的短時(shí)功率脈沖) 和峰值負(fù)載期間某些形式的電池電流限制 (旨在最大限度地增加可用容量)。

圖 1：鋰亞硫酰氯電池的電壓和容量隨溫度和電流的變化 (數(shù)據(jù)來(lái)源：Tariran 公司)

如果需要一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器為下游傳感器和通信電路保持穩(wěn)定的電源電壓，那么電池電流管理問(wèn)題會(huì)更加復(fù)雜。為低功率應(yīng)用而優(yōu)化的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器一般以突發(fā)模式 (Burst Mode^®) 工作，轉(zhuǎn)換器保持在 SLEEP (睡眠) 狀態(tài)，直到輸出降至低于穩(wěn)定點(diǎn)為止，然后向輸出提供持續(xù)時(shí)間很短的電流突發(fā)，直至輸出穩(wěn)定為止。正如之前所討論的那樣，對(duì)于鋰亞硫酰氯以及其他主要電池化學(xué)組成而言，這類(lèi)突發(fā)電流都是問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作壽命縮短。理想的 IoT 電源解決方案將長(zhǎng)壽命電池與在設(shè)計(jì)中具有有利于電池的電流管理系統(tǒng)之 DC/DC 轉(zhuǎn)換器組合起來(lái)。

具可編程峰值輸入電流的毫微功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

LTC3335 (參見(jiàn)圖 2) 這款新產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)充分嚴(yán)格地考慮了上述需求。該器件是一款降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，從 1.8V 至 5.5V 非穩(wěn)壓輸入電壓產(chǎn)生固定和引腳可編程的 1.8V 至 5V 穩(wěn)定輸出電壓。該器件可與多種主電池電源一起使用，以調(diào)節(jié)輸出電壓，使其高于、低于或等于輸入電壓。

圖 2：具可編程峰值電流 I_LIM 的 LTC3335 毫微功率降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

LTC3335 是一款獨(dú)特的降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，僅需要 680nA 輸入靜態(tài)電流，就可保持穩(wěn)定的輸出。此外，該器件提供 8 個(gè)可編程峰值輸入電流設(shè)置，從低至 5mA 直至高達(dá) 250mA，以無(wú)需任何外部限流，就可滿足包括鋰亞硫酰氯電池在內(nèi)的多種主電池的輸入電流限制。

LTC3335 的 DC/DC 工作過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單 (參見(jiàn)圖 2 和圖 3)。如果輸出電壓高于穩(wěn)定點(diǎn)，該器件就進(jìn)入 SLEEP 模式，僅輸出監(jiān)視電路工作。一旦負(fù)載強(qiáng)制輸出電壓降至低于其穩(wěn)定點(diǎn)，該 DC/DC 轉(zhuǎn)換器就啟動(dòng)，通過(guò)一個(gè) 4 開(kāi)關(guān)單片全橋式轉(zhuǎn)換器，從輸入向輸出傳送功率。一旦 DC/DC 轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，開(kāi)關(guān) A 和 C 就接通，從而允許電池電流流經(jīng)引腳 SW1 和 SW2 之間連接的外部電感器。一旦達(dá)到可編程峰值電流 (I_PEAK)，開(kāi)關(guān) A 和 C 就斷開(kāi)，同時(shí)開(kāi)關(guān) B 和 D 接通，從而允許電感器中流過(guò)的電流給連至 PV_OUT 引腳的輸出電容器充電。電流繼續(xù)流過(guò)開(kāi)關(guān) B 和 D，直至達(dá)到零為止。如果這時(shí)輸出高于穩(wěn)定點(diǎn)，那么該器件就返回 SLEEP 模式，直到輸出降至超出穩(wěn)定范圍為止。否則，另一個(gè) AC/BD 開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。憑借如此低的靜態(tài)電流和同步工作，LTC3335 在負(fù)載電流低至 10µA 時(shí)實(shí)現(xiàn)了高于 80% 的電源轉(zhuǎn)換效率，對(duì)多種無(wú)線傳感器而言，10µA 是常見(jiàn)的平均負(fù)載電流。此外，峰值輸入電流可以降至支持平均功耗所需的最低值，從而最大限度延長(zhǎng)了電池壽命并提高了電池容量。

圖 3：LTC3335 DC/DC 轉(zhuǎn)換器方框圖

其他挑戰(zhàn)：估計(jì)剩余電池電量

盡管為最大限度降低負(fù)載電流和最大限度延長(zhǎng)電池壽命而進(jìn)行了各種努力，但是應(yīng)用最終依然受到地域限制，到了某一時(shí)刻仍然需要更換。在低成本便攜式設(shè)備中，監(jiān)視電池放電狀態(tài)和估計(jì)剩余電池電量的任務(wù)也許優(yōu)先級(jí)較低。電池壽命長(zhǎng)于產(chǎn)品的使用壽命，或必需離線更換電池的后果是極小的。然而，對(duì)于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)或軌道車(chē)輛安全監(jiān)視器中的關(guān)鍵性傳感器來(lái)說(shuō)，意外的停機(jī)時(shí)間 (用于更換失效電池) 則意味著某種不可接受的費(fèi)用。

盡管對(duì)于很多主電池而言，預(yù)測(cè)剩余電池電量常常是個(gè)困難的任務(wù)，但是對(duì)于鋰亞硫酰氯電池而言，則尤其具有挑戰(zhàn)性。如圖 4 中的放電曲線所示，典型鋰亞硫酰氯電池的開(kāi)路電壓保持固定在幾乎恒定的電壓上，直至電池中幾乎沒(méi)有剩余電量為止。這時(shí)，電池電壓突然下降。因此，在電池電量非常接近零以前，電池電壓監(jiān)視提供的有用信息極少。此外，開(kāi)路電壓和電池阻抗都對(duì)溫度有很強(qiáng)的依賴(lài)性，因此即使測(cè)量這類(lèi)參數(shù)可提供充分的警報(bào)以避免意外宕機(jī)，但是如果不進(jìn)行額外的監(jiān)視，那么檢測(cè)放電曲線的拐點(diǎn)和溫度或負(fù)載變化之間的差異也是不可能的，而額外監(jiān)視要消耗功率，這是不希望的。

圖 4：鋰亞硫酰氯電池電壓隨輸出電流的變化 (數(shù)據(jù)來(lái)源：Tadiran公司)

解決方案：“零” 靜態(tài)電流庫(kù)倫計(jì)數(shù)器

最為簡(jiǎn)單和直接的電池用量監(jiān)視方法是清點(diǎn)電池釋放的庫(kù)侖數(shù)。傳統(tǒng)的方法需要對(duì)電池電流進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視和積分，即使在無(wú)負(fù)載條件下這也將消耗大量的功率。不過(guò)，LTC3335 的電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)在每次 DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要提升輸出以進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，可準(zhǔn)確地對(duì)從電池傳遞至負(fù)載的電荷量進(jìn)行自我監(jiān)測(cè)。主要的差異是：在 DC/DC SLEEP 模式時(shí)，庫(kù)侖計(jì)數(shù)器消耗零電流。

無(wú)論何時(shí)，只要 DC/DC 轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，那么僅當(dāng)開(kāi)關(guān) A 和 C 接通時(shí)，才有電流從電池流出。開(kāi)關(guān) A 和 C 一直有電流流過(guò)，直至達(dá)到 I_PEAK 為止，然后開(kāi)關(guān) B 和 D 接通，電感器電流在斜坡下降至零的同時(shí)，將電荷傳遞給輸出電容器。一旦檢測(cè)到零電流點(diǎn)，就重復(fù)下一個(gè)周期，直至 V_OUT 進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)為止。如果電感器選擇恰當(dāng)，那么每次開(kāi)關(guān) A 和 C 接通時(shí)，從電池流出的電流都會(huì)從零開(kāi)始線性地斜坡上升，直至達(dá)到設(shè)定的峰值電流值為止，如圖 5 所示。

圖 5：在開(kāi)關(guān) A 和 C 接通時(shí)測(cè)得的電池放電曲線

在給定 AC ON 周期，達(dá)到 I_PEAK 所需時(shí)間主要是電池電壓、電感器值和 I_PEAK 設(shè)定值的函數(shù)。在給定 I_PEAK 設(shè)定值的情況下，通過(guò)測(cè)量達(dá)到 I_PEAK 所需的時(shí)間，就可用以下公式確定在每個(gè) AC ON 周期中所傳送的庫(kù)倫量：

LTC3335 包含一個(gè)內(nèi)部定時(shí)電路，每次開(kāi)關(guān) A 和 C 接通時(shí)，該電路都周期性地測(cè)量 AC ON 時(shí)間，并輸出一個(gè)按選定 I_PEAK 設(shè)定值定標(biāo)的準(zhǔn)確庫(kù)倫數(shù)。內(nèi)部加法器和紋波計(jì)數(shù)器計(jì)算出開(kāi)關(guān) A 和 C 接通的總次數(shù)，并將這個(gè)次數(shù)乘以每次 AC ON 的定標(biāo)庫(kù)倫數(shù) q_AC(ON)。用戶(hù)可通過(guò)一個(gè) I²C 端口存取計(jì)數(shù)器鏈的 8 個(gè)最高有效位 MSB (Most Significant Bit)，這 8 個(gè) MSB 代表從電池傳送到負(fù)載的總庫(kù)倫數(shù)。標(biāo)度因子可通過(guò) I²C 選擇，以適合尺寸和 I_PEAK 設(shè)定值不同的電池，還可以選擇報(bào)警值，以提示系統(tǒng)每個(gè)傳感器的電量消耗。既然當(dāng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器處于 SLEEP 模式時(shí)，LTC3335 的內(nèi)部庫(kù)倫計(jì)數(shù)器僅必須保持其邏輯狀態(tài)，那么監(jiān)視電池放電所增加的靜態(tài)電流就真正接近于零了。

誤差源以及怎樣降低誤差

正像使用大多數(shù)解決方案時(shí)的情形一樣，這里也存在折衷和誤差源。如圖 6 所示的 LTC3335 庫(kù)倫計(jì)數(shù)器監(jiān)視和 “測(cè)量” DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸出端消耗的電荷。這其中包括 100% 的負(fù)載電流以及由 V_OUT 供電的內(nèi)部開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器電流的一部分。然而，處于 SLEEP 模式時(shí)的靜態(tài)電流以及用來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)并在傳送電荷時(shí)使 DC/DC 控制電路保持工作的 V_IN 電流并未測(cè)量，這是一個(gè)誤差源�？傊�，該器件報(bào)告的放電庫(kù)倫數(shù)會(huì)稍微少一些。在峰值電流高于 50mA 左右時(shí)，這些誤差相當(dāng)小 (低于 5%)，但是在最低峰值電流設(shè)定值時(shí)，這些誤差有可能很大 (大于實(shí)際放電庫(kù)倫數(shù)的 20%)。幸運(yùn)的是，在一組給定應(yīng)用條件下，主要的誤差源是由該 IC 的特性導(dǎo)致的，而這些特性得到了相對(duì)良好的控制，是可預(yù)測(cè)的，這就允許使用軟件校正誤差，從而將所報(bào)告的庫(kù)倫數(shù)誤差減小至一位百分?jǐn)?shù)，甚至在最低峰值電流設(shè)定值時(shí)也是如此。在數(shù)據(jù)表中公布的典型曲線可用來(lái)在系統(tǒng)軟件級(jí)補(bǔ)償這些誤差。

圖 6：LTC3335“零”電流庫(kù)倫計(jì)數(shù)器依靠 DC/DC 架構(gòu)

最佳無(wú)線傳感器電源

長(zhǎng)工作壽命和可靠工作對(duì)任何無(wú)線應(yīng)用而言都是值得實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。在很多可用電源中選擇使用哪一個(gè)時(shí)，需要做出與解決方案尺寸、工作壽命、峰值功率要求等有關(guān)的權(quán)衡。為提高安全性、安防能力或工業(yè)系統(tǒng)性能，越來(lái)越多的應(yīng)用采用了無(wú)線傳感器，因此極需滿足優(yōu)化功耗和實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)工作壽命的要求。網(wǎng)絡(luò)可靠性也變得更加重要了�？煽啃砸�求不僅包括可靠地產(chǎn)生數(shù)據(jù)并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送，還包括避免由于功耗而導(dǎo)致意外宕機(jī)。LTC3335 等最新 DC/DC 轉(zhuǎn)換器專(zhuān)門(mén)用來(lái)滿足這類(lèi)系統(tǒng)的功率需求，并在使用各種尺寸和化學(xué)組成的電池時(shí)，用來(lái)優(yōu)化能量利用率。不過(guò)，僅 LTC3335 能夠準(zhǔn)確地計(jì)算從電池傳送到負(fù)載的總庫(kù)倫量，而且在這個(gè)過(guò)程中不會(huì)耗費(fèi)電池電量。這種無(wú)需付出就有收獲的情況是難得一遇的。