沒有傳感器，就不會有物聯(lián)網(wǎng)（IoT），因為它們可以測量和記錄溫度、亮度、移動等各種參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芸刂圃O(shè)備里。雖然它們的功耗通常很低，傳感器也需要電源才能運作。要確保電池供電的傳感器無須任何維護的情況下保持運行多年是一項困難的任務(wù)。本文將介紹如何透過創(chuàng)新的解決方案來大幅延長電池的使用壽命，以及如何從4-20mA環(huán)路汲取三倍的電流。

      隨著Industry 4.0的到來，信息物理系統(tǒng)(CPS)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和云計算已經(jīng)進入現(xiàn)代化工廠。作為綜合通信網(wǎng)絡(luò)，CPS可以與其他系統(tǒng)及人類通信的同時做決策和采取行動。過去幾年以來，技術(shù)的進步腳步能突飛猛進的主因之一是傳感器的價格下降。僅在十年以前，傳感器技術(shù)仍高度專業(yè)化。而今天，傳感器是一個大眾商品，可以讓越來越多的設(shè)備整合成一個網(wǎng)絡(luò)來組合、處理和交換更大量的數(shù)據(jù)。然而，這種網(wǎng)絡(luò)中的每一個傳感器都必須使用集中電源或電池。

3V鈕扣電池的神話

      許多IoT和Industry 4.0應(yīng)用使用3V鈕扣電池，不僅價格便宜還非常可靠，不過缺點是需要經(jīng)常換新。充滿電的CR2032鈕扣電池供應(yīng)約3.2V的電壓，僅在幾個小時就降至3V以下，這對某些無線模塊來說可能是不夠的（如WLAN、藍牙、LoRaWAN等）。結(jié)果就是傳輸會變得不穩(wěn)定或者信號范圍可能突然受到限制。

使用開關(guān)穩(wěn)壓器延長電池壽命

圖1：R-78S升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器不僅延長IoT應(yīng)用中電池的使用壽命，而且還能從電池擠出最后一點電量。

      翌芯科技代理品牌RECOM的R-78S升壓行開關(guān)穩(wěn)壓器（圖1）是專為電池供電的IoT器件所設(shè)計開發(fā)的。即插即用的模塊可以從0.65VDC至3.15VDC的輸入電壓提供3.3V的穩(wěn)定輸出，而且還能從電池擠出最后一點能量。因此R-78S的用戶只需一個1.5V的電池來為微處理器、WLAN/藍牙模塊和IoT系統(tǒng)供電，因為該電池的使用壽命會比一般的鈕扣電池要長許多。

圖2：將緩沖電容集成到電路中的R-78可以設(shè)置睡眠模式，節(jié)省寶貴的電池電量。

      圖2顯示R-78S在無線模塊中的典型應(yīng)用。該電路僅在發(fā)送數(shù)據(jù)時才會短暫激活。在這極短的時間之內(nèi)，整個電路消耗大約600μW。當(dāng)不發(fā)送數(shù)據(jù)時，電路處于睡眠模式，R-78S則由緩沖電容器供電，僅消耗7μA。如果電容的電荷低于一定程度，電路將被暫時激活以進行充電。該技術(shù)保證可以達到可靠地、免維護地運行10年以上。由于轉(zhuǎn)換器的價格不高，加上大幅降低電池和維護的成本，因此這額外的投資非常物超所值。

硬聯(lián)機系統(tǒng)的解決方案
      在過程控制技術(shù)中，4-20mA環(huán)路已是一個很穩(wěn)定的技術(shù)。該技術(shù)在開發(fā)的七十年后仍被廣泛使用，并將繼續(xù)在許多應(yīng)用上發(fā)揮重要的功能。4-20mA環(huán)路非常適合惡劣的工業(yè)環(huán)境，因為它們的電流信號不易受到干擾。這些回路根據(jù)簡單的雙線技術(shù)，信號是以特定電流的形式進行傳輸。在所有的應(yīng)用中，4mA是0%而20mA是100%，這讓系統(tǒng)很安全因為系統(tǒng)必須至少有4mA的電流。斷線或傳感器故障可以立即偵測到，但是如果沒有電流的話問題就大了。4-20mA環(huán)路適合長距離的信號傳輸，在這之間的任何一處都可以接收信號。現(xiàn)代的數(shù)字技術(shù)讓4-20mA環(huán)路發(fā)揮會更大的作用。在最新的4-20mA環(huán)路系統(tǒng)中，來自多個傳感器的數(shù)據(jù)通過DSP進行處理和組合，然后沿著單個模擬線路，以調(diào)頻脈沖的形式發(fā)送。這需要兩個HART（高速可尋址遠程傳感器）調(diào)制解調(diào)器執(zhí)行，將發(fā)射器的數(shù)字數(shù)據(jù)包調(diào)制成模擬信號，然后在接收器再次解調(diào)數(shù)據(jù)（如圖3所示）。這種方法可以在不安裝更多的環(huán)路電纜的情況下集成數(shù)個傳感器，這是為什么在制造業(yè)中HART是現(xiàn)在最流行的數(shù)據(jù)協(xié)議的主要原因。因此，HART技術(shù)在保持4-20mA環(huán)路技術(shù)上扮演著舉足輕重的角色。

圖3：使用DSP和HART調(diào)制解調(diào)器可以讓多個傳感器的信號整合并以數(shù)字形式通過4-20mA環(huán)路。這些器件由創(chuàng)新的電流增壓器供電，跟傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器相比，增壓器能夠從環(huán)路中汲取三倍的功率。

驅(qū)動傳感器的電流界面

      在4-20mA環(huán)路中，低于測量閾值（<4mA）的電流可為傳感器和其他設(shè)備供電。雖然這種低電流足以供給一個模擬傳感器，但它們無法供給多個傳感器，尤其是智能傳感器（具有DSP和/或顯示器）。如果附近有電源當(dāng)然不會有問題，但是如果組件跟電源有些距離，布線的成本可能很高。盡管傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器的IC在滿載時效率非常高但并不能解決這個問題，因為在低負載時它們也超過了4mA的閾值。即使在睡眠模式時空載電流很低，但輸出電壓也同時下降到零因此毫無幫助。線性穩(wěn)壓器也不理想，因為雖然0.5mA的空閑電流在4-20mA環(huán)路的“綠色范圍”內(nèi)，但它們的效率很低，只能產(chǎn)生開關(guān)穩(wěn)壓器能汲取的三分之一的功率。

圖4：緊湊型R420-1.8/PL開關(guān)穩(wěn)壓器從環(huán)路使用3.6A的電流來為傳感器和微處理器提供的高達10mA的電流。
      翌芯科技代理品牌RECOM新的R420-1.8/PL開關(guān)穩(wěn)壓器（圖4）是克服這些所有問題的最佳解決方案。由于有創(chuàng)新的拓撲結(jié)構(gòu)，R420-1.8/PL的空閑電流已經(jīng)降低到0.5mA，而輸出端可以用全電壓。我們來看一個具體的例子：在輸入端使用24VDC和<3.5mA，我們在輸出端得到3.3V和10mA，這足以供電給微控制器和HART調(diào)制解調(diào)器或者多個傳感器，且完全不會降低環(huán)路的功能或者系統(tǒng)的測量精度。新的開關(guān)穩(wěn)壓器的另一個優(yōu)勢是它可以輕松地與電阻組合以實現(xiàn)1.8V至5V之間的輸出電壓。

結(jié)論

      物聯(lián)網(wǎng)其實是傳感器的互聯(lián)網(wǎng)，因此創(chuàng)新的電源解決方案是重要關(guān)鍵。RECOM提供的智能組件能節(jié)省電池電力，例如R78-S升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。這些調(diào)節(jié)器可以擠出電池最后一點能量，所以應(yīng)用可以多運行十幾年，也沒有維修的需求。同時，由于數(shù)字化的關(guān)系，測試和檢驗技術(shù)（如4-20mA環(huán)路）越來越受歡迎。開關(guān)穩(wěn)壓器不斷在進步，例如RECOMR420提供的功率比傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器多出三倍，而這些創(chuàng)新的開關(guān)穩(wěn)壓器可以確保過去為我們服務(wù)多年的技術(shù)在未來持續(xù)下去。