IIoT 應用中的功耗：線(xiàn)性穩壓器與 DC/DC 降壓轉換器

2022-03-14

IIoT 應用中的功耗：線(xiàn)性穩壓器與 DC/DC 降壓轉換器

對于物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，尤其是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 設備，功耗可能是一個(gè)主要障礙。為了克服這一挑戰，線(xiàn)性穩壓器和降壓轉換器可能是有益的。

隨著(zhù)工業(yè)和制造運營(yíng)中對提高生產(chǎn)力、效率和工作場(chǎng)所安全的需求不斷增長(cháng)，一些行業(yè)正在其流程中采用物聯(lián)網(wǎng)系統。 

更具體地說(shuō)，IIoT 在工業(yè)設施中具有多種優(yōu)勢，包括降低成本、減少停機時(shí)間以及增強員工和資產(chǎn)的安全性。然而，廣泛采用 IIoT 的一個(gè)重大障礙是低效的電源轉換和利用。通過(guò)適當的研究和開(kāi)發(fā)，工程師可以提供解決方案來(lái)提高功率轉換并優(yōu)化利用效率。

在本文中，我們將介紹 IIoT 的一些電源利用挑戰、線(xiàn)性穩壓器的缺點(diǎn)、用于 IIoT 應用的DC/DC 降壓轉換器，以及 ROHM 針對 IIoT 的潛在電源解決方案。

IIoT 中的電力利用挑戰 

一個(gè)常見(jiàn)的 IIoT 應用是遠程數據監控。此應用程序所需的實(shí)時(shí)數據分析需要越來(lái)越大的功率。雖然智能家居和智能工廠(chǎng)等大規模應用利用電網(wǎng)能源，但許多其他應用都是電池驅動(dòng)的。

無(wú)論電源如何，由于電源有限，節能解決方案對于優(yōu)化 IIoT 系統中的電源轉換和利用至關(guān)重要。因此，工程師必須通過(guò)為 IIoT 系統設計低功耗解決方案來(lái)應對這一挑戰，以降低功耗和/或延長(cháng)電池壽命。 

設計低功耗解決方案通常從組件級別開(kāi)始。IIoT 傳感應用的配置通常包括CPU、傳感器和無(wú)線(xiàn)模塊，用于整體控制、環(huán)境數據采集和通信。 

由于這些設備在包括活動(dòng)和待機在內的多種功率模式下運行，因此它們需要恒定功率才能在模式之間進(jìn)行有效轉換。例如，IIoT 傳感應用可以從低功耗待機模式過(guò)渡到高功耗無(wú)線(xiàn)數據傳輸模式。

通過(guò)集成電源 IC，例如提供超低功耗 (ULP) 模式的 DC/DC 降壓轉換器，工程師可以確保在電池驅動(dòng)的 IIoT 應用中優(yōu)化功耗。

傳統電源 IC 的挑戰：線(xiàn)性穩壓器的缺點(diǎn)

電力電子設備，包括線(xiàn)性穩壓器和開(kāi)關(guān)轉換器，通常集成到電池驅動(dòng)的電子設備中。 

線(xiàn)性穩壓器使用線(xiàn)性非開(kāi)關(guān)技術(shù)調制電源的輸出電壓。線(xiàn)性穩壓器在電池驅動(dòng)應用中的一些優(yōu)勢包括成本低、電路復雜性最小化和外部元件數量少。

由于這些優(yōu)勢，線(xiàn)性穩壓器仍然是許多應用中不可或缺的組成部分。 

然而，線(xiàn)性穩壓器有幾個(gè)缺點(diǎn)，可能會(huì )對電池驅動(dòng)的 IIoT 應用的效率產(chǎn)生不利影響，包括：

高細胞計數

更大的壓差

電池壽命縮短

效率低

高熱量產(chǎn)生

讓我們仔細看看線(xiàn)性穩壓器與熱管理和電池數量挑戰之間的關(guān)系。

線(xiàn)性調節器的發(fā)熱

線(xiàn)性穩壓器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是產(chǎn)生高熱量。通常，延長(cháng)使用線(xiàn)性穩壓器為電子設備供電會(huì )導致 IC 產(chǎn)生大量熱量，遠高于其溫度范圍。這反過(guò)來(lái)又會(huì )導致 IC 不時(shí)關(guān)閉。 

此外，為了滿(mǎn)足多種應用中更高的輸入電流和電壓要求，需要使用龐大的散熱器來(lái)確保 IC 保持在指定的溫度范圍內。因此，除了具有恒定輸出電壓能力外，線(xiàn)性穩壓器中產(chǎn)生的過(guò)多熱量會(huì )導致效率低下，從而難以滿(mǎn)足電池驅動(dòng)的 IIoT 應用的低功耗和節電要求。

線(xiàn)性穩壓器和電池單元數 

另一個(gè)缺點(diǎn)是使用線(xiàn)性穩壓器通常會(huì )導致更高的電池單元數。

在包含線(xiàn)性穩壓器的電池驅動(dòng)應用中，工程師必須滿(mǎn)足嚴格的電池數量要求：更高的輸出電壓需要足夠多的串聯(lián)電池數量。例如，3.3 V 輸出至少需要三個(gè)額外的 1–1.5 V 堿性、鎳鎘或鎳氫電池。

由于鋰電池提供更高的電壓，基于鋰電池的應用可能需要更少的電池。此外，雖然 5 V 輸出可能需要至少五個(gè)額外的電池，但 12 V 輸出將具有相應更高的電池數量要求。 

因此，無(wú)論電池類(lèi)型如何，基于線(xiàn)性穩壓器的電池驅動(dòng)應用都表現出高電池數，從而導致設計成本高、設備占位面積大和功率利用效率低等額外問(wèn)題。

基于對線(xiàn)性穩壓器缺點(diǎn)的評估，我們可以看到需要更高效率的解決方案，以確保 IIoT 應用中的高性能和功率優(yōu)化。

IIoT 應用的功率優(yōu)化：DC/DC 降壓轉換器

通過(guò)將 DC/DC 降壓轉換器集成到 IIoT 設備中，設計人員可以在電池驅動(dòng)的 IIoT 應用中實(shí)現更高的效率。

與線(xiàn)性穩壓器不同，DC/DC 降壓轉換器產(chǎn)生低熱量，無(wú)需使用笨重的散熱器。借助開(kāi)關(guān)元件，這些電源 IC 可以將輸入電源轉換為脈沖電壓。降壓轉換器使用電感器、電容器和其他元件對脈沖電壓進(jìn)行平滑處理。

將 DC/DC 降壓轉換器集成到電池驅動(dòng)的 IIoT 應用中可以顯著(zhù)延長(cháng)電池壽命并降低功耗。通過(guò)最大化轉換器的開(kāi)關(guān)效率，設計人員可以確保低功耗和低熱量產(chǎn)生。 

電源 IC 通過(guò)臨時(shí)存儲輸入能量并在所需的輸出電壓下釋放它來(lái)確保優(yōu)化功耗。此外，一些降壓轉換器提供了額外的功能，例如超低功耗 (ULP) 模式，該模式提供了有利于 IIoT 傳感應用的瞬態(tài)響應和最佳恒定導通時(shí)間控制。 

支持 ULP 的降壓轉換器通過(guò)逐脈沖監測輸出電壓在正常模式和 ULP 模式之間轉換。設計人員可以利用兩個(gè)比較器（例如，主比較器和 ULP 比較器）來(lái)監控 IC 的輸出電壓。此外，通過(guò)檢測這些比較器中電壓引起的阻抗變化，IC 可以從正常模式切換到 ULP 模式，反之亦然。 

這些無(wú)縫轉換也是 IIoT 應用中功率優(yōu)化的重要來(lái)源。