電源管理怎樣隨著物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步而進(jìn)步

根據(jù)預(yù)測(cè)， 全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模將從 2015 年的 7000 億美元增長(zhǎng)至 2020 年的 1.7 萬億美元， 復(fù)合增長(zhǎng)率高到達(dá) 20%。從基站、網(wǎng)關(guān)、設(shè)備到云端基礎(chǔ)搭建，物聯(lián)網(wǎng)的崛起伴隨著龐大數(shù)量的設(shè)備需求。相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2015 年物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入量為 134 億 部，到 2019 年將達(dá)到 385 億部。數(shù)以百億計(jì)的設(shè)備無一不需要用電，不管是交流電網(wǎng)、直流總線、以太網(wǎng)供電還是采用能量收集等方式，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在設(shè)計(jì)的過程中有一個(gè)重要參考項(xiàng)是它如何獲得和使用電源，這將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的功能和用戶體驗(yàn)產(chǎn)生根本性的影響?？偨Y(jié)來說，電源管理技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有著至關(guān)重要的作用。

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)寬泛的命題，打造的不僅僅是一個(gè)單一的產(chǎn)業(yè)鏈，從M2M到智能家居、可穿戴設(shè)備、智慧農(nóng)業(yè)和智慧醫(yī)療等，每一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)鏈誕生都伴隨著全新的設(shè)備需求，小型化、集成化、智能化和低功耗等成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)常用理念，電源管理技術(shù)又該如何隨機(jī)應(yīng)變呢？我們結(jié)合以下幾個(gè)具體應(yīng)用來看一下。

可穿戴設(shè)備需要電源系統(tǒng)更小、更高效

可穿戴設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)展較早，也較為成熟的一個(gè)領(lǐng)域。從定義上看，可穿戴設(shè)備即直接穿在身上，或是整合到用戶的衣服或配件的一種便攜式設(shè)備。但隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及AIIoT概念的出現(xiàn)，可穿戴設(shè)備開始從單一功能走向多功能進(jìn)而達(dá)到智能化。眾多物聯(lián)網(wǎng)廠商選擇在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)力，誕生了諸如智能手表、智能眼鏡、智能頭盔、智能書包等一系列產(chǎn)品。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度來看，可穿戴設(shè)備發(fā)展方向包含以下三點(diǎn)——更高集成度、更復(fù)雜的設(shè)計(jì)以及更強(qiáng)大的安全性。

產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)決定了其內(nèi)部元件的發(fā)展方向，為了增強(qiáng)“可穿戴”的概念以及提高用戶的體驗(yàn)感，電源系統(tǒng)需要采用小型電池，并且需要增強(qiáng)電源管理技術(shù)，提高效率且穩(wěn)定輸出，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用和待機(jī)時(shí)間。

以羅姆半導(dǎo)體升壓型DC/DC轉(zhuǎn)化器BU33UV7NUX為例，其利用ROHM的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)和電源系統(tǒng)工藝致力于降低消耗電流，在同等功能產(chǎn)品中消耗電流僅為業(yè)界最小級(jí)別的7μA，使電源系統(tǒng)的工作時(shí)間更長(zhǎng)。另外，電源IC由0.9V的低輸入電壓即可驅(qū)動(dòng)，不僅支持紐扣型鋰電池，還可支持使用1枚干電池的應(yīng)用。

http://lujuzi.cn/rohm/videos/201803/753896.htm

https://www.rohm.com.cn/products/power-management/switching-regulators/integrated-fet/boost-converters/bu33uv7nux-product/information

車聯(lián)網(wǎng)需要電源系統(tǒng)一對(duì)多

車聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)潛力最大、需求最明確的一個(gè)領(lǐng)域，對(duì)促進(jìn)汽車和信息通信產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，構(gòu)建汽車和交通服務(wù)新模式新業(yè)態(tài)，推動(dòng)自動(dòng)駕駛技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，提高交通效率和安全水平具有重要意義。研究數(shù)據(jù)表明，預(yù)計(jì)到2020年車聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到338.2億美元（約2200億元人民幣），到2023年市場(chǎng)滲透率將達(dá)到67%。

隨著智能網(wǎng)聯(lián)概念在汽車設(shè)計(jì)中成為常規(guī)項(xiàng)，導(dǎo)航、緊急救援、車輛追蹤、駕駛輔助等服務(wù)在汽車中開始高頻率出現(xiàn)，電子元器件的數(shù)量在單一汽車中與日俱增，這樣的趨勢(shì)給汽車供電造成了一定壓力。

汽車的電源系統(tǒng)主要由蓄電池、發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)器、指示燈和開關(guān)導(dǎo)線等連接而成，為滿足車用電子設(shè)備的正常用電，電源系統(tǒng)的輸出電壓需要穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，防止因電壓起伏過大而造成元器件損壞。因此，在車用48V電源系統(tǒng)逐漸普及的情況下，高壓轉(zhuǎn)低壓并且穩(wěn)定輸出成為關(guān)鍵。

另外，車載電子元器件的增多需要電源系統(tǒng)減少數(shù)量、縮小體積，在更小的硅芯片上集成更多功能特性，同時(shí)以更高的設(shè)計(jì)靈活性實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的系統(tǒng)用電性能。在這樣的需求大背景下，多個(gè)單一功能的電源管理器件一一組合的方法顯然已經(jīng)捉襟見肘，一對(duì)多形勢(shì)的集成電源管理解決方案開始流行。此外，對(duì)于汽車而言，汽車電子產(chǎn)品尤其是電源管理部分實(shí)現(xiàn)集成化，也成功的降低了整車廠的成本。

羅姆的電源技術(shù)一直追求小型化和節(jié)能化，其Nano系列是采用了模擬技術(shù)的一種新型電源技術(shù)。以Nano Pulse Control技術(shù)來說，通過穩(wěn)定控制脈沖寬度實(shí)現(xiàn)了2個(gè)效果：

?在高降壓比的情況下實(shí)現(xiàn)了“電源系統(tǒng)的單芯片化”

?包括線圈在內(nèi)“安裝面積小型化”

以往的DC/DC轉(zhuǎn)換器，在不影響AM廣播頻段的2MHz工作時(shí)，從48V獲得3.3V低電壓時(shí)，需要先降至12V中間電壓，進(jìn)行2步（2個(gè)芯片）降壓。規(guī)格上需要支持從最高60V的電源降到最小2.5V的驅(qū)動(dòng)電壓，所以假如用1個(gè)芯片降壓，則必須實(shí)現(xiàn)24:1這一非常高的降壓比。羅姆挑戰(zhàn)DC/DC轉(zhuǎn)換器的“單芯片化”這一高難關(guān)口，開發(fā)了超高速脈沖控制技術(shù)“Nano Pulse Control”。搭載此項(xiàng)技術(shù)，將開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間縮短到了9ns。這在目前的電源IC中是世界最小的數(shù)值。并且，對(duì)這種極小的脈沖寬度能夠進(jìn)行穩(wěn)定控制，也是此項(xiàng)技術(shù)的一大特點(diǎn)。Nano Pulse Control技術(shù)當(dāng)前的代表產(chǎn)品是BD9V100MUF-C。

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工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要電源系統(tǒng)精準(zhǔn)耐用

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模居當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的首位，《2017中國(guó)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)白皮書》數(shù)據(jù)指出，預(yù)計(jì)在政策推動(dòng)以及應(yīng)用需求帶動(dòng)下，到2020年，中國(guó)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在整體物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中的占比將達(dá)到25%，規(guī)模將突破4500億元。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：全面感知、互聯(lián)傳輸、智能處理、自組織和自處理。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器的使用率極高，各種類型和功能的傳感器在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中隨處可見。隨著工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的進(jìn)入，設(shè)備智能化和小型化趨勢(shì)明顯。在這個(gè)趨勢(shì)下，許多傳感器很小，要使它們能夠工作只能使用一些能夠保持有限能量的小電池。因此，電源管理IC需要省之又省的使用這些有限的能源，需要將低功耗貫徹落實(shí)。

除了傳感器層面對(duì)電源能量使用的高要求，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，邊緣計(jì)算的概念被率先接受，這對(duì)系統(tǒng)的用電也提出了相應(yīng)的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)斷電造成的可怕?lián)p失讓廠商不得不提早預(yù)防，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)在設(shè)備端運(yùn)轉(zhuǎn)的意識(shí)越來越強(qiáng)。因此，嵌入式設(shè)備和傳感器通常需要具有有限的計(jì)算能力。從當(dāng)前的產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，這些計(jì)算能力的電源支撐也需要在微小電池上運(yùn)行，所以和對(duì)傳感器供電相同，邊緣計(jì)算設(shè)備必須有效地利用電能，延長(zhǎng)設(shè)備或者電源的更替周期。

為此，羅姆半導(dǎo)體的Nano系列提出了另一項(xiàng)技術(shù)——Nano Energy。Nano Energy技術(shù)通過減少IC本身的電流消耗來實(shí)現(xiàn)微電流的穩(wěn)定工作，能夠?yàn)榇钶d小型電池的設(shè)備提供長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)動(dòng)。

如果只是單純的考慮降低消耗電流，可以采用提高電路的電阻值，但僅僅采用這個(gè)辦法會(huì)產(chǎn)生來自元件的漏電流、針對(duì)噪聲的靈敏度要提高、電路響應(yīng)速度低下等問題。羅姆半導(dǎo)體使降低消耗電流時(shí)發(fā)生的折中降至極限的同時(shí)，還開發(fā)了超輕負(fù)載狀態(tài)下徹底削減消耗電流的劃時(shí)代技術(shù)“Nano Energy”?，F(xiàn)在，實(shí)現(xiàn)了180nA這一業(yè)界最小的消耗電流。

將此項(xiàng)技術(shù)搭載于DC/DC轉(zhuǎn)換器“BD70522GUL”，無負(fù)載（應(yīng)用待機(jī)）時(shí)與一般產(chǎn)品相比，電池驅(qū)動(dòng)時(shí)間是以往產(chǎn)品的2倍。此外，在10μA至500mA這一業(yè)界最寬電流范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了90%以上的大功率轉(zhuǎn)換效率。同樣，如果沒有羅姆半導(dǎo)體獨(dú)有的垂直統(tǒng)合型生產(chǎn)體制下的“電路設(shè)計(jì)”“布局”“工藝”三大尖端技術(shù)的融合，是無法實(shí)現(xiàn)的。

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總結(jié)

通過可穿戴設(shè)備、智能網(wǎng)聯(lián)汽車和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)三個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景可以看出，物聯(lián)網(wǎng)的普及對(duì)電源管理技術(shù)提出了全新的要求。電源管理系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)小型化和集成化，在更小的芯片面積上需要能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能。并且，電源管理技術(shù)需要順應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)低功耗的發(fā)展趨勢(shì)，需要讓系統(tǒng)用電更精準(zhǔn)節(jié)能，讓設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的周期更長(zhǎng)久。當(dāng)然，隨著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備數(shù)量的增多，電源供電需要更高的電壓值，高壓轉(zhuǎn)低壓并且能夠穩(wěn)定輸出對(duì)電源管理技術(shù)也提出新的挑戰(zhàn)。

來源：rohm