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毫微功率物聯網電源準確監測電池放電

上網時間: 2016年03月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:LTC3335  DC/DC轉換器  電池  電量  Li-SOCL2 

Samuel Nork,凌力爾特波士頓設計中心總監

能夠監測心率、房間溫度到大樓房客等一切事物的互連裝置正日益成長,物聯網(IoT)指的就是這類互連裝置組成的網路。新應用每天都在產生,並以無線區域網路(WLAN)測量和回報各類資料,然後再透過閘道器直接連至網際網路。如果專家們所說的正確,那麼,過不了多久,我們只要在智慧型手機上滑動一下手指,就能夠監測健康情況和家中每一樣電器的狀態、關上所有電燈,以及準確掌握寵物的所在位置。無處不在的無線監測測系統使我們能夠隨時隨地觀察和控制周圍的一切。

從更貼近實用的角度來說,物聯網也已經出現在工業環境中,其表現形式是排列成龐大網狀網路的無線感測器陣列。這類無線感測器網路運用在世界各地的工廠、工業場所以及車輛和機械系統中,以監測關鍵參數,提高安全性和可靠性,並及時維護裝置。無論這類無線裝置打算用於何種用途,都面臨一個共同的問題:如何獲得電源?

顯然地,有很多方法可以考慮。無線監測器應該很小、不顯眼,而且應該需要最低限度的維護。專家們建議,在明天的物聯網世界中,很多這類裝置將透過最佳化的能量採集器自行供電,能量採集器可以提供無窮無盡的電源。儘管這樣的前景聽起來很理想,而且在提高能量採集的實用性方面也取得了相當大的進步,然而,當今的解決方案在尺寸和性能方面常常不盡人意,而且總在需要電源時卻沒有可供採集的能量。幸運的是,目前已經有了針對壽命長、平均功耗低的應用而最佳化的電池技術,例如適用於物聯網領域的電池技術。

Li-SOCL2:理想的無線感測器能量來源

物聯網應用往往有類似的功率和能量要求。遠端監測器的平均功率通常都非常低,偶爾需要以突發模式進行測量及廣播資料。因此對這類應用而言,電池是否理想應該看能量密度而不是功率密度。此外,應該最大限度地減少電池自放電,以實現最長的工作時間,並減少更換電池所需的當機和維護等高昂費用。對這類應用而言,一種出色的電池技術是鋰亞硫醯氯(Li-SOCL2)。這種電池化學組成的自放電速度極低(幾家供應商均聲稱其電池的使用壽命超過20年)、能量密度高並提供相對較高的3.6V典型工作電壓。很多供應商都提供大量不同形狀、尺寸和容量的Li-SOCL2電池。不過,如同大多數高度專業化的技術,實現實用性的同時也伴隨著其他的一些折衷。

使用長壽命電池的挑戰

在設計應用電路時,要實現Li-SOCL2電池的壽命(容量)優勢需要特別謹慎。如圖1所見,Li-SOCL2電池具有非常高的輸出阻抗。可實現極低自放電和於貨架長壽命的化學反應(鈍化形成)具有限制可用輸出電流的不良影響。即使當鈍化層由於電池週期性負載而耗散,但對於特定的安培/小時容量額定值,可以提供的峰值電流較其他的電池化學組成更低。就Li-SOCL2電池而言,更高的汲取電流不僅導致工作電壓下降,而且還造成電池容量減少。以一個100mA DC負載執行圖1的電池將產生9安培/小時的容量,較支援一個4mA負載時出現的19安培/小時峰值更低。因此,需要短暫高峰值電流的應用必須同時使用電池與電容儲存,以處理週期性的短暫功率脈衝,以及在峰值負載期間實現某些形式的電池電流限制,從而使可用容量達到最大化。


圖1:Li-SOCL2電池的電壓和容量隨溫度和電流的變化
(來源:Tariran)

如果需要使用DC/DC轉換器為下游感測器和通訊電路保持穩定的電源電壓,那麼電池電流管理問題會更加複雜。為低功率應用而最佳化的DC/DC轉換器一般以突波模式(Burst Mode)運作,轉換器保持在睡眠(SLEEP)狀態,直到輸出降至低於穩定點為止,然後向輸出提供持續時間很短的電流突發,直至輸出穩定為止。正如之前所討論的,對於Li-SOCL2以及其他主要電池化學組成而言,這類突發電流都會是問題,會導致系統工作壽命縮短。理想的IoT電源解決方案將結合長壽命電池,以及採用有利於電池的電流管理系統所設計的DC/DC轉換器。

(下一頁繼續:毫微功率DC/DC轉換器編程峰值輸入電流)


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