在談到物聯(lián)網(wǎng)電源管理技術發(fā)展趨勢時，飛思卡爾模擬和傳感器產(chǎn)品高級市場經(jīng)理閆子波表示，飛思卡爾正在開發(fā)的電源管理IC適用于從便攜式應用到汽車應用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)解決方案。

 

他認為，電源管理IC技術趨勢根據(jù)不同的終端應用而有所不同?？纱┐鲬藐P注更高的效率來使得電池待機時間更長；由于空間限制，電源管理IC封裝尺寸必須越來越小。針對汽車應用中 功耗較大的處理器，電源管理IC則要盡量提高效率來減少熱量產(chǎn)生，幫助散熱和提高可靠性。

 

隨著應用處理器電源架構變得越來越復雜，電源管理必須更加精細，才能優(yōu)化系統(tǒng)性能。

 

另一個趨勢是功能安全的要求變得更加重要，因為物聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)的高度自主化致使人為監(jiān)督和參與會越來越少。

 

作為物聯(lián)網(wǎng)重要一環(huán)的汽車無人駕駛和娛樂系統(tǒng)，更會越來越多采用符合功能安全的芯片。“飛思卡爾的應用處理器和電源管理IC都符合ISO標準。這一趨勢也同樣在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場中得到驗證，比如電梯控制和機器人等。”閆子波表示。

 

安森美半導體應用產(chǎn)品部AC-DC電源管理產(chǎn)品線總監(jiān)Tim Kaske則認為，物聯(lián)網(wǎng)的趨勢主要是為設備添加少量電源，這些設備過去可能沒有功率要求（圖1）。物聯(lián)網(wǎng)需要添加一個微處理器，而這是典型的低功率設備。其中一個很好的例子是咖啡壺或電飯煲。這類產(chǎn)品過去只需要足夠顯示時鐘的功率，而現(xiàn)在它們有無線連接，當咖啡煮好或飯煮熟時提醒消費者。

 

圖1：安森美半導體應用產(chǎn)品部AC-DC電源管理產(chǎn)品線總監(jiān)Tim Kaske

 

 

凌力爾特公司電源產(chǎn)品市場總監(jiān)Tony Armstrong則指出：“由于支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的無線傳感器激增，對于針對無線低功率設備而定制的小型、緊湊和高效率電源轉換器的需求也增大了。物聯(lián)網(wǎng)領域最新出現(xiàn)的一個細分市場是可穿戴電子產(chǎn)品，從能量收集角度來看，這個細分市場尤其令人感興趣。

 

“可穿戴技術不僅面向人類，還有很多應用是面向動物的。無論應用目的是什么，這類設備大多數(shù)都需要一塊電池作為主電源。不過，對于面向人類的應用而言，似乎不久就會出現(xiàn)可利用太陽能產(chǎn)生電力的面料。你可以把這種面料做成的衣服想象成‘供電’套裝！Dephotex公司就已經(jīng)開發(fā)出使光伏材料足夠輕、足夠柔和可以適合穿戴的方法。這種材料本身會將光子轉換成電能，然后用這種電能給用戶穿戴的各種不同電子設備供電，或者用來給這些設備的主電池充電，甚至兩種功能兼而有之。”

 

Maxim Integrated現(xiàn)場應用技術團隊資深成員Damian Anzaldo談道，IoT電源管理的發(fā)展趨勢受IoT終端設備的影響。有些IoT應用依賴于電池管理或能量收集；另一些應用則由交流電網(wǎng)、直流總線供電或以太網(wǎng)供電。每種IoT設備的電源管理發(fā)展趨勢都與具體應用相關。

 

圖2：Maxim Integrated現(xiàn)場應用技術團隊資深成員Damian Anzaldo

 

在電池供電應用中，一項重要的電源管理趨勢是高精度測定電池電量，并且功耗極低，占據(jù)的電路板面積非常小。另一種趨勢是將電源管理功能進行高密度模擬整合，實現(xiàn)IoT電源管理電路集成化（PMIC）。IoT PMIC優(yōu)化用于功耗敏感和空間受限的應用。無線充電也將被用于眾多電池供電IoT設備，我們認為能量收集是一種重要的電源管理趨勢。為了從太陽能、射頻（RF）或熱電源收集能量，需要像MAX17710（圖3）這樣靜態(tài)電流僅1nA，同時可處理極不穩(wěn)定大動態(tài)輸入功率（1uW~100mW）的方案。

 

圖3：能量收集將成為IoT設備的重要電池管理方案

 

Cypress公司指出：“我們的主要目標是對于無線單元與物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的集成電路電源管理（PMIC）。在物聯(lián)網(wǎng)領域中，大量設備包括成千上萬的傳感器都要連接上網(wǎng)。這些設備的電源是能否大范圍連接上的關鍵所在。目前的方案是采取系統(tǒng)內部的電源來操作。一般來說，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要更小的尺寸所以對電源的體積大小也有限制。這種情況下就帶來了電池壽命與更換的問題。誰能忍受更換成千上萬的傳感器電池還要處理有毒的化學品？這個費用和工作量都是難以承擔的。”

 

Cypress的能源管理PMIC這個解決方案是將周圍的能源聚集起來，比如光、震動和熱量都能作為供應系統(tǒng)的電源，而且能在較長時間里都減少電池的用量。Cypress正拓寬其能源管理解決方案的應用范圍。該公司希望在未來的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中拓寬此解決方案的使用量。

 

 

“物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新日益更多地由軟件來驅動而不是硬件。由于在應用處理器和電源管理IC在處理器初期已經(jīng)充分驗證，采用應用處理器和同一供應商的電源管理IC，可以使開發(fā)者無需驗證硬件平臺而集中精力開發(fā)軟件。”閆子波談道，“針對飛思卡爾SafeAssure計劃重要部分的功能安全，飛思卡爾將繼續(xù)提供應用處理器和電源管理IC作為整套方案，以滿足部分功能安全的要求。”

 

“在功率范圍的低端是能量收集系統(tǒng)的毫微功率轉換需求，例如物聯(lián)網(wǎng)設備中常見的能量收集系統(tǒng)，這類系統(tǒng)必須使用電源轉換IC 處理非常小的功率和電流。這類功率和電流可能分別僅為數(shù)十微瓦和數(shù)十納安。”Tony則表示。

 

最新和現(xiàn)成有售的能量收集產(chǎn)品，例如振動能量收集產(chǎn)品和室內或可穿戴光伏電池產(chǎn)品，在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級的功率。盡管這個量級的功率可能看似用途有限，但是能量收集器件在數(shù)年內持續(xù)運行可能意味著，無論從所提供的能量還是從每能量單位的成本而言，能量收集技術與長壽命主電池都大致相同。此外，采用能量收集技術的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡后再充電，這種事情由主電池供電的系統(tǒng)是做不到的。不過，大多數(shù)解決方案都會將環(huán)境能源用作主電源，并用一塊主電池作為補充，如果環(huán)境能源消失或中斷，就切換到由主電池供電。

 

當然，能量收集電源提供的能量取決于該電源能夠運行多長時間。因此，比較能量收集電源的主要衡量指標是功率密度，而不是能量密度。能量收集電源提供的可用功率一般較小、可變且不可預測，因此常常使用結合能量收集器和輔助電源的混合結構。輔助電源可能是一塊可再充電電池，或一個存儲電容器（甚至可能是超級電容器）。能量收集器（由于其能量供應無限且功率不足）是系統(tǒng)的能源。輔助電力儲存器（或者是一塊電池，或者是一個電容器）產(chǎn)生較大的功率輸出，但是存儲較少的能量，在需要時供電，否則定期從能量收集器接收電荷。因此，在沒有環(huán)境能源可供收集的時候，必須用輔助電力儲存器來給下游電子系統(tǒng)或無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）供電。

 

“在有些領域，我們看到IoT正在蓬勃發(fā)展。在工業(yè)控制領域和聯(lián)網(wǎng)家居領域，有許多產(chǎn)品可歸類為IoT設備。工廠自動化領域使用的工業(yè)可編程邏輯控制器（PLC）通過I/O-link、HART及傳統(tǒng)的4-20mA電流環(huán)路支持與遠端測量和控制設備的云連接。SCADA工業(yè)控制系統(tǒng)是另一種形式的IoT，已經(jīng)被廣泛使用多年。”Damian則表示。

 

 

飛思卡爾非常關注產(chǎn)品的耐用、可靠的產(chǎn)品性能，這個理念貫穿于包括產(chǎn)品定義、測試過程和驗證的整個流程，飛思卡爾的電源管理IC具有很好的可靠性；可以組合其微控制器和網(wǎng)絡處理器產(chǎn)品組成完整方案，進行交叉銷售，幫助客戶設計所要求完美的嵌入式解決方案。飛思卡爾電源管理IC通過軟件配置輸出的上下電順序、電流輸出能力和電壓值。同時，其電源管理IC具有一流的輕負載效率，優(yōu)化系統(tǒng)功耗。

 

“凌力爾特的電源轉換IC提供必要的功能和性能，使這種功率值較低的能量收集系統(tǒng)能夠用于物聯(lián)網(wǎng)。”Tony說。

 

LTC3331是一款完整的能量收集調節(jié)解決方案。LTC3331的能量收集電源由一個接受AC或DC輸入的全波橋式整流器和一個高效率同步降壓型轉換器組成，從壓電（AC）、太陽（DC）或磁性（AC）能源收集能量。當可收集能量可用時，它提供高達50mA的連續(xù)輸出電流，以延長電池壽命。當用收集的能量向負載提供穩(wěn)定的功率時，該器件無需電池提供電源電流，當在無負載情況下由電池供電時，工作電流僅為950nA。

 

另一個例子是LTC3388-1/LTC3388-3。該器件是一款20V輸入同步降壓型轉換器，可提供高達50mA的連續(xù)輸出電流，采用3mm×3mm（或MSOP10-E）封裝。LTC3388-1/LTC3388-3在2.7V至20V的輸入電壓范圍內工作，因此非常適合多種能量收集和電池供電物聯(lián)網(wǎng)應用，包括“保持有效”傳感器和工業(yè)控制電源。LTC3388-1/LTC3388-3采用同步遲滯整流，以在很寬的負載電流范圍內優(yōu)化效率。該器件在15μA至50mA負載時能夠提供超過90%的效率，僅需要400nA靜態(tài)電流，從而能夠延長用作輔助電源的電池的壽命。

 

在移動領域，對于智能手機等設備，Maxim憑借擁有專利的ModelGauge技術，成為PMIC和電池流量計領域的市場領導者。“我們正在將移動領域的優(yōu)勢擴展至IoT可穿戴設備市場，這點體現(xiàn)在MAX14676，這是一款適用于IoT可穿戴應用的充電管理方案，例如健身手表。該器件的工作電流極低，集成了多片DC-DC穩(wěn)壓器、電池充電器，以及嵌入式ModelGauge電池電量計。MAX14676采用小尺寸42焊球WLP封裝，只有3.497mm×3.118mm大小。這種帶有嵌入式知識產(chǎn)權（IP）的高度模擬集成對于尋求最小電源方案的客戶非常有價值，使方案的功耗達到最低，以延長產(chǎn)品的工作時間。”Damian說。

 

在工業(yè)領域，Maxim在POL電源調節(jié)器和高壓降壓轉換器領域具有強大優(yōu)勢。許多工業(yè)應用需要高電壓降壓轉換器，以較小的方案尺寸提供高效率。Maxim的喜馬拉雅系列60V降壓轉換器，如MAX17552，是第一款帶有內部補償和同步整流的高壓降壓型電源方案。MAX17552的優(yōu)勢在于輸入電壓安全裕量，無需分立式肖特基二極管，具有較高的效率，無需外部補償元件。相對于最接近的競爭產(chǎn)品，該器件的效率提高8%，方案尺寸減小50%，外部元件數(shù)量減少75%。對于緊湊型及功耗敏感的工業(yè)IoT應用，例如微型PLC和4-20mA環(huán)路傳感器，MAX17552提供了最優(yōu)化解決方案。

 

對于通信領域的電源產(chǎn)品，Maxim的POE電源控制器方案占有極為重要的位置，滿足POE+和即將施行的IEEE P802.3bt標準。利用有線LAN基礎設施實現(xiàn)供電和通信能力，使得POE成為IoT世界的一項重要技術支撐。Maxim最新發(fā)布的參考設計為POE供電的LED燈，該參考設計可通過Android或iOS智能手機應用進行控制。參考設計演示POE在住宅和商業(yè)照明應用領域的IoT能力。參考設計展示MAX5969A受電設備控制器、MAX15062降壓型DC-DC轉換器，以及MAX16832A高亮度LED驅動器。

 

“過去幾年安森美半導體一直專注于提升輕載和空載的能效。例如，過去為達到美國能源之星標準或歐洲行為準則認證，某些產(chǎn)品的空載待機能耗必須小于0.5瓦。這些標準的認證水平現(xiàn)已提高至小于0.1瓦，但安森美半導體的方案可低至0.01瓦。為解決這一挑戰(zhàn)，安森美半導體已開發(fā)新的晶圓工藝技術及創(chuàng)新的電路以降低功耗。這技術能力讓我們令產(chǎn)品在低功率應用中更具高能效。從技術角度來看，我們的一個關鍵優(yōu)勢是直接連接至高壓電源的能力。安森美半導體在高壓處理能力方面已是先鋒，提供多個器件和電路優(yōu)化用于感測輸入電壓同時將功耗降至最低。我們現(xiàn)在提供完整的解決方案，不僅在滿載時提供高能效電源，而且在低輸入電壓和輕載時智能地優(yōu)化功耗。”Tim表示。

 

 

“物聯(lián)網(wǎng)應用電源設計面臨著很多挑戰(zhàn)，比如面積限制、高于90%的轉換效率、低功耗模式下的低漏電流和低靜態(tài)電流、散熱管理和設計的復雜性等等。”閆子波說，“最終的軟件編碼也會影響功耗的大小，因此在軟件完成之前在硬件優(yōu)化的電源性能不一定是最優(yōu)的設計。”

 

“在功率范圍的‘低’端，WSN、傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設備中的毫微功率轉換變得越來越常見，因此需要能夠用非常小的功率和電流工作的電源轉換IC。這些功率和電流常常分別為數(shù)十微瓦和數(shù)十納安。但是，工作在不到1μA電流的可用電源轉換產(chǎn)品（包括電池充電器）卻極其有限。”Tony補充說。

 

Damian表示：“IoT可穿戴設備等移動應用對功耗非常敏感，并且空間極為狹小。減小方案尺寸、降低物料清單（BOM）成本對于我們的客戶非常重要。我們的電源設計挑戰(zhàn)在于實現(xiàn)極高模擬整合水平的同時，將分立式無源元件的數(shù)量降至最少。另一項挑戰(zhàn)是優(yōu)化電源電路結構，實現(xiàn)最佳的電源效率。”

 

他認為，IoT設備的最大挑戰(zhàn)之一是電池壽命，其中許多設備的靜態(tài)電流非常低，以最大程度地延長充電間隔。在有些情況下，因為IoT設備“始終打開”，要求靜態(tài)電流極低。對于其它應用，由于設備大部分時間處于休眠模式，所以靜態(tài)功耗非常重要。這些靜態(tài)電流遠遠低于傳統(tǒng)的智能手機，使得當今許多電源管理方案不太適合。

 

IoT領域的重要部分是與數(shù)據(jù)中心的云連接。IoT和大數(shù)據(jù)分析將明顯增大數(shù)據(jù)中心的能源需求。這意味著數(shù)據(jù)中心服務器的電源方案必須解決高負載電流時的高功率密度。隨著數(shù)字處理器的工藝構造達到28nm、速度提高至1GHz以上，直流電源轉換器必須支持低壓核電壓的較高負載電流，并提供卓越的瞬態(tài)響應。此類應用中的負載電流可達到150A@1.0V核心電源軌，瞬態(tài)達到30A/us。結合負載要求，數(shù)據(jù)中心電源管理方案必須提供最高效率，效率達到95%，以降低散熱和節(jié)省能源成本。對于為下一代數(shù)據(jù)中心服務器應用開發(fā)POL電源方案的IC設計者，面臨多項挑戰(zhàn)。

 

車聯(lián)網(wǎng)的涌現(xiàn)使得汽車成為另一個重要的IoT市場。車聯(lián)網(wǎng)領域的強大市場驅動在于對信息娛樂系統(tǒng)、駕駛者安全和無線云連接的旺盛需求。汽車IoT市場帶來了獨特的電源設計挑戰(zhàn)。無線音響單元中的半導體部件成指數(shù)增長，其中包括了汽車中不同的電子子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)要求電源管理IC必須能夠應對嚴苛的設計挑戰(zhàn)，例如負載沖擊瞬態(tài)（高達42V）、冷啟動條件下工作（低至5V）、電磁干擾（AM波段）、寬工作溫度（高達+105°C）、超低待機電流，以及優(yōu)異的電源轉換效率。為克服艱難的設計挑戰(zhàn)，模擬電源公司需要采用正確的技術組合、IC工藝，以及具有產(chǎn)品定義經(jīng)驗的IC設計天才。

 

Tim則認為：“物聯(lián)網(wǎng)電源設計的最大挑戰(zhàn)是參與并支持可能對電源管理不熟悉的不同設計群組。雖然電源方案看似簡單，但它的確需要模擬電源設計的專知以完成強固的方案，同時也以高性價比的方式符合終端產(chǎn)品的需求。為此安森美半導體提供在線工具，如GreenPoint，客戶可在構建一個硬件的實施前建立并仿真他們的設計。”

 

 

“新的產(chǎn)品會采用更小的封裝、更高效的架構和實施措施。代碼編寫完成并就位后，可以靈活地配置軟件代碼來優(yōu)化電源。”閆子波說，“在2015年6月下旬舉行的美國飛思卡爾技術論壇上，我們將推出PF3000電源管理IC，來配合超低功耗的Cortex A7內核處理器產(chǎn)品系列（圖4）。它還能給新一代i.MX系列應用處理器供電。”

 

圖4：飛思卡爾PF3000電源管理IC

 

此外，PF3000電源管理IC非常適合Cortex A9內核產(chǎn)品系列，特別是i.MX 6系列成員，包括i.MX 6Solo、i.MX 6SoloLite和i.MX 6SoloX。

 

飛思卡爾不斷創(chuàng)新推出進一步小型化的產(chǎn)品，以支持物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新。飛思卡爾將繼續(xù)認證符合功能安全ISO標準的新產(chǎn)品。該公司下一步設計將繼續(xù)增強集成度，實現(xiàn)更低功耗、更低的靜態(tài)電流和多相輸出能力。

 

“為了幫助設計師應對物聯(lián)網(wǎng)設備需要較低功率轉換的挑戰(zhàn)，凌力爾特公司一直在開發(fā)具備必要性能特點以滿足這類應用需求的電源轉換和管理IC。這些IC的一些特色和功能包括：低備用靜態(tài)電流——一般低于6μA，可低至450nA；低啟動電壓——低至20mA；高輸入電壓能力——高達34V連續(xù)和40V瞬態(tài)；能夠接受AC輸入；多路輸出能力和自主的系統(tǒng)電源管理；面向太陽能輸入的最大功率點控制（MPPC）；解決方案占板面積緊湊，所需外部器件最少。”Tony說。

 

“對于IoT電源領域，Maxim具有獨特的綜合優(yōu)勢：豐富的產(chǎn)品、IP算法、封裝技術、制造工藝及終端設備知識，以及卓越的設計、產(chǎn)品定義和應用工程天才。得益于以上因素，Maxim能夠整合各種技術優(yōu)勢，解決IoT領域面臨的各種電源設計挑戰(zhàn)。”Damian指出，“以移動IoT領域為例，我們能夠整合多種不同的電源和電池管理功能，例如多個開關模式POL電源、多個線性調節(jié)器、電池充電、電池電量計以及USB-AC適配器智能電源開關。此外，我們能夠集成耳麥音頻放大器、揚聲器音頻放大器、混合信號ADC/DAC通道、GPIO和實時時鐘功能。這是Maxim整合多種學科來集中解決客戶奇特需求的一個例子，例如方案尺寸和BOM成本。”

 

為延長IoT設備中的電池壽命，MAX14676優(yōu)化用于在極低工作電流下提供高效率。器件集成ModelGauge算法，能夠為當前可用的任何方案提供最高精度的電量計量，有效延長電池壽命。高準確度使其能夠在較深放電水平下可靠工作。

 

MAX16993為汽車PMIC，解決了無線音響單元設計問題。MAX16993的效率超過90%，集成了解決負載沖擊、冷啟動、EMI、溫度范圍及待機電流所需的全部功能。這是Maxim充分利用IC工藝、設計天才和產(chǎn)品定義知識來解決IoT挑戰(zhàn)的例子。

 

“我們正借助專門設計PMIC的專業(yè)技術來設計復雜的電路，以此滿足系統(tǒng)的要求。能源管理系統(tǒng)就是其中一個解決方案。”Cypress公司談道。

 

Cypress面向能量收集的電源管理IC有兩款：用于光/振動能量采集的超低功耗降壓電源管理IC——MB39C811，和用于光電/熱電能量采集的超低輸入升壓電源管理IC的MB39C831（圖5）。

 

圖5：MB39C811/831能量收集系統(tǒng)結構框圖

 

MB39C811包括低功耗的全波橋式整流器，以及比較器方式的高效率降壓型DC/DC轉換器。它為高輸出阻抗的能量源（如壓電換能器）提供能量采集解決方案。

 

MB39C811能夠選擇8個預置的輸出電壓，并能提供高達100mA的輸出電流。

 

MB39C831則是一個高效率同步整流升壓直流/直流轉換器IC，它能夠有效地將從光電器件（包括單串或多串）或從熱電器件（TEG）獲取的能量提供給鋰離子電池。

 

它具有調整DC-DC轉換器輸出，使光電器件能夠工作在最大功率點的功能（MPPT：最大功率點跟蹤），并具有安全地給鋰離子電池充電的保護功能。它可以從0.35V的低輸入電壓起動，適用于使用單串光電器件作為輸入的應用。

 

“我們計劃推出第二代電源管理PMIC，它會顯著減少電源損耗量與操作中的電壓。這樣才能讓小傳感器模塊與小太陽能電池相結合。”Cypress公司補充說。

 

“安森美半導體正為低功率應用創(chuàng)建更多的參考設計和支持工具。我們的在線設計工具每月完成2,000多個設計。這令設計工程師有經(jīng)證實的方案作為起點，利用可用設計以確保他們不會延遲生產(chǎn)其核心終端產(chǎn)品。系統(tǒng)級方案可在實施硬件前被修改和優(yōu)化。安森美半導體還有強大的現(xiàn)場支援工程團隊、在線技術幫助和區(qū)域技術專家在客戶的設計流程中幫助他們。從我們客戶的反饋，已證實安森美半導體的仿真和設計流程已為他們節(jié)省了數(shù)周至數(shù)月的產(chǎn)品開發(fā)周期。

 

“安森美半導體將推出更多低功率產(chǎn)品如NCP1060、NCP1070，將脈寬調制（PWM）控制器和MOSFET集成到單個封裝中。我們的集成轉換器減少了元器件總數(shù)量，且更易于實現(xiàn)設計。這類典型的電源產(chǎn)品可減少一半的總元件數(shù)，并減少1/4的產(chǎn)品尺寸/重量。安森美半導體還提供初級端穩(wěn)壓產(chǎn)品如NCP1360，更進一步減少元器件，應對空間受限的物聯(lián)網(wǎng)設備的要求。它無需光耦這種典型的在系統(tǒng)中MTBF（平均故障間隔時間）最低的元件，從而成為更強固的電源。安森美半導體正定期增加數(shù)字含量嵌入到我們的模擬控制器和轉換器，以令產(chǎn)品更通用，從而更適合快速演變的市場如物聯(lián)網(wǎng)。數(shù)字部分的可編程性使我們能快速提供新的產(chǎn)品配置，因應將來電源需求的變化。”Tim最后表示。

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