无线物联网设备在方面供电有哪些选择

您的无线物联网设备计划已全部设置：识别传感器，选择超低功耗处理器，并确定无线连接格式，协议和频段（图1）。还有一件事：确保有足够的可靠电力使这个物联网设备无人值守地运行，并且在应用程序需要的时候。物联网设备是设计上的功率误差，因此提供所需的少量功率应该不是什么大问题，对吧？

图1：通用物联网设计的大大简化的系统级框图显示了其三个“外部”连接：传感器（或传感器），直流电源和无线端口连接（天线）。

与大多数工程决策一样，答案并不简单。根据安装的具体情况，有许多可能的设备供电选择：附近的交流线路，可用的直流电轨，能量收集或电池。前两个选择要求物联网设备保持连接状态;第三个具有更大的自由度，但物联网设备仍然受到收获传感器放置的限制;只有电池选项提供最大的放置灵活性，但需要更换，

AC线：这似乎是最简单的选择，因为它可以根据需要提供尽可能多的功率。问题是它需要一个AC/DC转换器。该AC/DC转换器可以是购买的外部单元（甚至是基本的“墙壁疣”）;但是这种转换器可能相对较大且成本较高，并且许多型号的设计或制造不是为了多年的可靠运行。或者，可以在物联网设备PC板上构建一个小型AC/DC电路，但除了成本和尺寸负担之外，由于存在线路电压，这会带来安全和监管批准问题。

直流导轨：如果要在相关系统中的直流导轨附近使用物联网，例如在家用电器中，它可能是一个不错的选择，因为一个简单的板载DC/DC转换器可以很小，很低 - 成本高，可靠。当然，重要的是要确保在物联网设备需要时为此直流电源供电并且可用，并且不会被用户无意中关闭或进入静止状态，在此状态下无法提供轨电流和物联网负载实际需要时的电压。

能量收集：这通常是一个非常好的选择，因为它可以是一种无头痛，中等成本的几乎“无所事事”的来源。最常采集的能源是振动/动力学（压电），光伏（太阳能）和热能（TEC，TEG，热电堆，热电偶）。不幸的是，能量收集通常是不切实际的，因为没有可靠或一致的能量来源被清除，因为许多物联网设备被放置在黑暗，安静的地方，并且换能器是可以清除的低效能量源。

如果收获是一个可行的选择，那么就有了独立的IC，它可以相对简单和便宜地捕获零星的微量能量，将其引导到存储元件（超级电容器通常优于可充电电池），并管理其使用。例如，德州仪器（图2）的bq25570升压充电器和降压转换器是高度集成的能量收集电源的核心。它旨在有效地提取从微瓦到毫瓦的各种高输出阻抗源产生的功率。电池管理功能可确保可充电电池或超级电容器存储元件不会被提取的电力过度充电，或通过系统负载耗尽超出安全限制。

图2：德州仪器（TI）bq25570升压充电器和降压转换器管理从收获源提取功率，可提供微瓦至毫瓦;它还管理能量存储组件的情况，以实现最佳性能和保护。

电池：乍一看，这似乎是一个没有吸引力的选择，因为电池最终需要更换。但是，如果电池的尺寸和尺寸合适，它实际上通常是最合适的选择。例如，具有合适容量，特性和制造的锂电池可以以低成本提供多年的功率，因为锂具有所有商业可用的电池化学品的每单位重量和体积的最高能量。

许多物联网设备可以在单个锂离子电池上运行，新电池的标称输出为3.6 V（取决于具体的锂化学性质），并且仍可提供低至约2.5 V的有用能量。如果物联网电路需要这些极端之间的稳定轨道，低成本，小型降压 - 升压调节器可以解决这个问题。例如，凌力尔特公司的LTC3129同步降压 - 升压型DC/DC转换器（图3）可在200 mA时提供高达15 V的电压。它提供降压和升压模式之间的无缝转换，确保在整个输入电压范围内提供稳定的输出轨。它支持2.42 V至15 V的宽输入电压范围（与单节和多节电池组相称）和1.4 V至15.75 V的宽输出范围。

图3：凌力尔特公司的LTC3129同步降压 - 升压型DC/DC转换器从降压模式无缝切换到升压模式，因此即使输出电压源（通常是电池）也能保持恒定的输出电压电池参数对物联网成功至关重要

虽然电池选择似乎是一个简单的过程，但物联网应用有一些特殊的考虑因素，因为它们通常会很长安装寿命数年甚至数十年。

电池选择始于众所周知的标称输出电压（V）和能量容量（mA-Hr）的顶级规格。请注意，具有相同标称数量的电池（例如流行的2016或2032标识）具有次要因素，这些因素将影响决定使用哪种特定电池和供应商。

电池是一个能量储存器，然后它“放弃”作为电源。尽管这两个参数密切相关（功率是能量使用率;能量是功率使用的时间积分），但它们的数量是非常不同的。

将标称电池电压与所需供电轨匹配相对容易，但评估所需容量可能很困难。大多数物联网应用具有非常低的占空比，具有长时间的深度睡眠并且几乎没有电流消耗（几μA是常见的），短时间的活动会使漏极高出许多数量级（在mA电平下）。因此，通常难以准确量化物联网设备在所需时间段（例如一年）内的总能量需求。

除标称电压和容量外，还有其他重要因素选择超出尺寸，类型和来源的电池时的注意事项。其中包括工作模式，温度和自放电率：

操作模式：某些电池不是“僵硬的电源”，因此无法提供“脉冲”所需的电源，这意味着它们突然从微安模式转换为更活跃的毫安模式。这称为电压延迟或功率下降，可能导致IoT设备的不稳定运行。

温度：存储和工作温度都是重要因素。工业物联网设备通常用于热或冷的位置;消费者设备可能处于更良性的环境中，但可用于室外温度或安全性聚焦的位置。极端温度和偏移会影响实际电池容量和寿命。有些电池的设计和规格都适用于宽温操作，但很多都没有。即使在不使用物联网设备时，温度也是一个潜在的问题，因为它的电池可能在不利条件下运输或储存，这会影响使用寿命。

自放电率：这是在应用生命周期方面需要考虑和表征的最具挑战性的因素之一。标准锂电池通常具有每年2％至3％的自放电率，即使没有外部排放，这种化合物也能快速复合并很快产生仅几年的可行寿命。然而，锂电池基于类似的化学反应，但使用增强的设计和制造工艺，并且自放电率低于0.7％/年。结果是使用寿命可长达20至40年。

了解一个高端锂电池，可以看出供应商提供的详细规格。 Tadiran TL-2450是一款3.6 V主（不可充电）锂 - 亚硫酰氯（Li-SOCl2）圆盘电池（直径24 mm，厚5.6 mm，图4）。它的容量为0.55 Ah，0.5 mA，一直降至2 V.最大推荐连续电流为5 mA，最大脉冲电流能力为10 mA。工作温度范围为-55⁰C至+85⁰C;该产品具有10年的保质期，即使在长期储存和/或使用后也可以快速恢复电压。

图4： Tadiran TL-2450是一款3.6 V锂电池，设计使用寿命至少为10年;它带有用于“半永久性”安装的焊针，而不是使用可能随时间腐蚀的电池座。

为了进一步证明这种电池的物联网配合，有详细的性能和长期性能数据。例如，图5显示了25°C时的放电特性，图6显示了在特定条件下的电压响应与年份的关系。鉴于这些规格，电池带有引脚应该不会出乎意料，因此它可以焊接到PC板上，而不是使用电池座。

图5：Tadiran等高端电池的供应商提供了详细的图表，例如显示一系列供电电流的输出电压和工作小时数的图表。注意没有输出电压下垂。

图6：使用此图表阐明了电池的使用寿命，该图表显示了Tadiran TL-2450在特定工作条件下的脉冲负载性能与使用年限之间的关系。

锂与碱性：

碱性电池在某些情况下是低成本，广泛可用且可能可行的物联网功率选择。它们可以提供所需的额定电压和能量容量，但只应在充分理解的情况下使用。这包括更换不是问题或不便的应用（由于它们的高自放电率），只需要工作一年或两年（它们的压接密封可能会泄漏），或者它们只会经历适度的温度波动（它们的电解质对温度敏感，不像锂电池具有非水电解质，因此可以承受更大的温度波动）。对于大多数物联网应用而言，锂电池虽然最初成本较高，但与具有相同额定电压和能量容量的碱性电池或电池组相比，是首选。