电源管理技术如何在物联网时代随机应变?

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据预测, 全球物联网市场规模将从 2015 年的 7000 亿美元增长至 2020 年的 1.7 万亿美元, 复合增长率高到达 20%。从基站、网关、设备到云端基础搭建,物联网的崛起伴随着庞大数量的设备需求。

相关调研数据显示,2015 年物联网设备接入量为 134 亿 部,到 2019 年将达到 385 亿部。数以百亿计的设备无一不需要用电,不管是交流电网、直流总线、以太网供电还是采用能量收集等方式,物联网设备在设计的过程中有一个重要参考项是它如何获得和使用电源,这将会对系统的功能和用户体验产生根本性的影响。总结来说,电源管理技术在物联网应用中有着至关重要的作用。

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物联网是一个宽泛的命题,打造的不仅仅是一个单一的产业链,从M2M到智能家居、可穿戴设备、智慧农业和智慧医疗等,每一个全新的产业链诞生都伴随着全新的设备需求,小型化、集成化、智能化和低功耗等成为物联网设备设计常用理念,电源管理技术又该如何随机应变呢?我们结合以下几个具体应用来看一下。

可穿戴设备需要电源系统更小、更高效

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可穿戴设备是物联网应用场景发展较早,也较为成熟的一个领域。从定义上看,可穿戴设备即直接穿在身上,或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。但随着物联网的快速发展以及AIIoT概念的出现,可穿戴设备开始从单一功能走向多功能进而达到智能化。众多物联网厂商选择在这个领域发力,诞生了诸如智能手表、智能眼镜、智能头盔、智能书包等一系列产品。从产品设计的角度来看,可穿戴设备发展方向包含以下三点——更高集成度、更复杂的设计以及更强大的安全性。

产品的发展趋势决定了其内部元件的发展方向,为了增强“可穿戴”的概念以及提高用户的体验感,电源系统需要采用小型电池,并且需要增强电源管理技术,提高效率且稳定输出,延长产品的使用和待机时间。

以罗姆半导体升压型DC/DC转化器BU33UV7NUX为例,其利用ROHM的模拟设计技术和电源系统工艺致力于降低消耗电流,在同等功能产品中消耗电流仅为业界最小级别的7µA,使电源系统的工作时间更长。另外,电源IC由0.9V的低输入电压即可驱动,不仅支持纽扣型锂电池,还可支持使用1枚干电池的应用。

车联网需要电源系统一对多

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车联网被认为是物联网产业潜力最大、需求最明确的一个领域,对促进汽车和信息通信产业创新发展,构建汽车和交通服务新模式新业态,推动自动驾驶技术创新和应用,提高交通效率和安全水平具有重要意义。研究数据表明,预计到2020年车联网市场规模将达到338.2亿美元(约2200亿元人民币),到2023年市场渗透率将达到67%。

随着智能网联概念在汽车设计中成为常规项,导航、紧急救援、车辆追踪、驾驶辅助等服务在汽车中开始高频率出现,电子元器件的数量在单一汽车中与日俱增,这样的趋势给汽车供电造成了一定压力。

汽车的电源系统主要由蓄电池、发电机、调节器、指示灯和开关导线等连接而成,为满足车用电子设备的正常用电,电源系统的输出电压需要稳定在一定的范围内,防止因电压起伏过大而造成元器件损坏。因此,在车用48V电源系统逐渐普及的情况下,高压转低压并且稳定输出成为关键。

另外,车载电子元器件的增多需要电源系统减少数量、缩小体积,在更小的硅芯片上集成更多功能特性,同时以更高的设计灵活性实现更强的系统用电性能。在这样的需求大背景下,多个单一功能的电源管理器件一一组合的方法显然已经捉襟见肘,一对多形势的集成电源管理解决方案开始流行。此外,对于汽车而言,汽车电子产品尤其是电源管理部分实现集成化,也成功的降低了整车厂的成本。

罗姆的电源技术一直追求小型化和节能化,其Nano系列是采用了模拟技术的一种新型电源技术。以Nano Pulse Control技术来说,通过稳定控制脉冲宽度实现了2个效果:在高降压比的情况下实现了"电源系统的单芯片化";包括线圈在内"安装面积小型化"。

以往的DC/DC转换器,在不影响AM广播频段的2MHz工作时,从48V获得3.3V低电压时,需要先降至12V中间电压,进行2步(2个芯片)降压。规格上需要支持从最高60V的电源降到最小2.5V的驱动电压,所以假如用1个芯片降压,则必须实现24:1这一非常高的降压比。

罗姆挑战DC/DC转换器的"单芯片化"这一高难关口,开发了超高速脉冲控制技术"Nano Pulse Control"。搭载此项技术,将开关导通时间缩短到了9ns。这在目前的电源IC中是世界最小的数值。并且,对这种极小的脉冲宽度能够进行稳定控制,也是此项技术的一大特点。Nano Pulse Control技术当前的代表产品是BD9V100MUF-C。

工业物联网需要电源系统精准耐用

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工业物联网市场规模居当前物联网市场的首位,《2017中国工业物联网产业白皮书》数据指出,预计在政策推动以及应用需求带动下,到2020年,中国工业物联网在整体物联网产业中的占比将达到25%,规模将突破4500亿元。

工业物联网具有以下几个特点:全面感知、互联传输、智能处理、自组织和自处理。在工业物联网中,传感器的使用率极高,各种类型和功能的传感器在工业物联网中随处可见。随着工业自动化进程的进入,设备智能化和小型化趋势明显。在这个趋势下,许多传感器很小,要使它们能够工作只能使用一些能够保持有限能量的小电池。

因此,电源管理IC需要省之又省的使用这些有限的能源,需要将低功耗贯彻落实。

除了传感器层面对电源能量使用的高要求,在工业物联网领域,边缘计算的概念被率先接受,这对系统的用电也提出了相应的挑战。系统断电造成的可怕损失让厂商不得不提早预防,物联网数据在设备端运转的意识越来越强。因此,嵌入式设备和传感器通常需要具有有限的计算能力。从当前的产品设计而言,这些计算能力的电源支撑也需要在微小电池上运行,所以和对传感器供电相同,边缘计算设备必须有效地利用电能,延长设备或者电源的更替周期。

为此,罗姆半导体的Nano系列提出了另一项技术——Nano Energy。Nano Energy技术通过减少IC本身的电流消耗来实现微电流的稳定工作,能够为搭载小型电池的设备提供长时间驱动。

如果只是单纯的考虑降低消耗电流,可以采用提高电路的电阻值,但仅仅采用这个办法会产生来自元件的漏电流、针对噪声的灵敏度要提高、电路响应速度低下等问题。罗姆半导体使降低消耗电流时发生的折中降至极限的同时,还开发了超轻负载状态下彻底削减消耗电流的划时代技术"Nano Energy"。现在,实现了180nA这一业界最小的消耗电流。

将此项技术搭载于DC/DC转换器"BD70522GUL",无负载(应用待机)时与一般产品相比,电池驱动时间是以往产品的2倍。此外,在10μA至500mA这一业界最宽电流范围内,实现了90%以上的大功率转换效率。同样,如果没有罗姆半导体独有的垂直统合型生产体制下的"电路设计""布局""工艺"三大尖端技术的融合,是无法实现的。

总结

通过可穿戴设备、智能网联汽车和工业物联网三个典型的物联网应用场景可以看出,物联网的普及对电源管理技术提出了全新的要求。电源管理系统需要实现小型化和集成化,在更小的芯片面积上需要能够实现更多的功能。并且,电源管理技术需要顺应物联网低功耗的发展趋势,需要让系统用电更精准节能,让设备运转的周期更长久。当然,随着物联网系统内设备数量的增多,电源供电需要更高的电压值,高压转低压并且能够稳定输出对电源管理技术也提出新的挑战。

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