發布日期：2022-04-17 點擊率：53
盡管為物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 設計的設備種類繁多，但它們都需要某種主電源才能進行數據輸入、處理和通信。但是，物聯網設備功能和應用環境的多樣性導致產生了各種各樣的主電源，從輸電線到電池和太陽能電池。
此外，廣泛的功能和工作模式（例如用于聽取指令的“常開”，以及用于快速響應輸入刺激的“待機”）需要仔細選擇內部電源。目標是最大程度地提高效率、減小物理尺寸并提高應用的功率密度，同時又不影響性能或不增加熱管理需求，后者可能會增加尺寸、重量和成本。另一個考慮因素是用戶安全，這一點不容妥協。
本文討論物聯網設備中使用的各類電源，并介紹來自 RECOM Power 的一些產品示例，可專用于滿足這些要求。
與便攜式設備相比，使用有線電源的物聯網或工業物聯網設備具有更少的功率限制。有線電源通常提供固定輸入電壓且具有足夠電流電平。其他電源（例如太陽能電池）可能會具有較大的電壓和電流電平變化，具體取決于太陽照度和所采用的電壓調節程度。物聯網或工業物聯網設備需要具有靈活的輸入功率要求，以應對可能的輸入功率變化。
電源制造商 RECOM Power 設計了一系列超緊湊、全封閉式 5 瓦電源，即 RAC05-K 系列 AC/DC 模塊，用以滿足物聯網或工業物聯網應用對輸入電壓的靈活性需求。
這些電源模塊使用 85 至 264 V 交流（47 至 63 赫茲 [Hz]）或 120 至 370 V 直流輸入電壓。由于這種線路輸入電壓范圍幾乎通用，因此適合在全球的家庭或工業環境中使用。這些電源的工作溫度范圍進一步證明了這一點：RAC05-K 系列可在 -25°C 至 +50°C 的溫度范圍內滿功率工作，并在 +50°C 至 +70°C 的溫度范圍內降功率工作。
該系列的各個型號具有固定的輸出電壓：3.3、5、12、15 或 24 V。5 V 的 RAC05-05SK 在印刷電路板上的基底面為 1 英寸 x 1 英寸（25.4 x 25.4 毫米 [mm]），高度為 0.65 英寸 (16.5 mm)。該電源模塊的額定輸出功率為 5 瓦，具有相當可觀的功率密度，每立方英寸高達 7.7 瓦（圖 1）。
圖 1：RECOM 的 RAC05-05SK 電源模塊采用 1” x 1” x 0.65” 封裝，功率為 5 瓦，可產生每立方英寸體積 7.7 瓦的功率密度。（圖片來源：RECOM Power）
這些電源的效率超過 80%，空載功耗僅為 75 毫瓦 (mW)。這一組合使它們適用于“常開”物聯網/工業物聯網設備，高效率和低內部能量損耗有助于保持設備低溫狀態。
從安全角度來看，RAC05-K 系列包含集成的熔斷、過壓和短路保護。它們符合 IEC60950-1 和 UL62368-1 安全標準，并且滿足 EN55032 B 類 EMC 限制，不包含任何外部組件。
這些電源注重安全，輸入電壓范圍大，尺寸小，還有寬工作溫度范圍，這些特點組合使其非常適合眾多物聯網或工業物聯網線路供電應用。
由于設備所處的特殊工作環境條件，工業環境通常需要特殊的產品。RECOM 的 R1SX 系列 DC/DC 轉換器就是這樣一種產品，可在 -40° 至 +100°C 的溫度范圍無降額工作。此溫度范圍可安全應對大多數工業條件。來自該系列的一款示例設備是 R1SX-3.305-R，它是 1 瓦升壓 DC/DC 轉換器，接受 3.3 V 輸入，并將其升至 5 V 輸出。
這些轉換器還提供 1 千伏 (kV)/1 秒的 DC 隔離，并可選 3 kV/1 秒的額定隔離。在接地環路和電氣噪聲非常普遍的工業環境中，隔離非常重要。輸入和輸出隔離有助于打破這些接地環路，并最大程度地降低噪聲傳播。R1SX-3.3-5 DC/DC 轉換器可用于支持帶電平位移的隔離數據接口（圖 2）。
圖 2：在數據接口中保持隔離不僅需要數字隔離器，還需要隔離電源。該電路在隔離器的初級側使用 3.3 V，在二次側使用 5 V，以實現邏輯電平位移，同時保持電流隔離。（圖片來源：RECOM Power）
便攜式電池供電的物聯網或工業物聯網設備要求尺寸小，功率損耗低。目標是盡可能延長電池壽命，以減少意外停機時間和更換大量設備的電池所需的工時。此類設計的主要特征包括：能夠在不需要時將電源置于靜態或待機狀態、高效率，以及寬輸入電壓范圍，以應對電量接近耗盡時電池電壓下降。
對于規格符合便攜式物聯網需求的 DC/DC 轉換器，RECOM 的 R-78S 系列就是一個示例。該系列中的一款器件 R-78S3.3-0.1，可利用 1.5 V 的 AA 電池產生 3.3 V 的電壓。此外，該系列還包括輸出電壓電平為 1.8、3.3 和 3.6 V 的器件，適用于通過單芯電池為多種微處理器和控制器供電。所有器件均在從 3.15 V 至 0.65 V 的輸入電壓范圍內工作，從而能夠利用電池的最后一毫瓦電量。該款電源轉換器的典型效率高達 93%，可最大程度地降低功率損耗。它可以置于待機狀態，僅消耗 7 微安 (μA) 電流。這款電源轉換器兼具高效率、待機模式和寬輸入電壓范圍，非常適合便攜式無線物聯網設備（圖 3）。
圖 3：說明在無線應用中使用關機模式延長電池使用壽命的示例。一個 2100 毫安時 (mAh) 的 AA 電池可以提供 7 μA 的電流長達數十年。（圖片來源：RECOM Power，由 Art Pini 修改）
R-78S 系列還具有 -40° 至 +100°C 的寬工作范圍，對于極端天氣條件下車輛中的便攜式設備非常有用。
圖 3 中的示例顯示了待機或休眠模式的使用，在該模式下，系統功耗僅為 20 微瓦 (μW)。當處于該模式時，電容器電壓（如藍色跡線所示）隨時間從完全充電值 3.3 V 降低，直到達到由電阻器 R1 和 R2 設置的閾值，此時微處理器通知轉換器喚醒。當轉換器在活動模式下工作時，系統僅消耗 200 μA 的電流，在此期間電容器將充電為下一個周期做準備。功耗將與活動/休眠模式占空比成正比。
RECOM 的 R-78S 轉換器具有低輸入電壓能力，是針對物聯網或工業物聯網能量收集應用的突出特點。例如，它們可用于提高低壓電源（例如太陽能電池或熱電發電機 [TEG]）的輸出，以便為 3.3 V 可充電電池充電（圖 4）。
圖 4：該示意圖顯示了 R-78S3.6-0.1 作為升壓轉換器的應用，它從太陽能電池或 TEG 接受低壓輸入，并將其升至 3.6 V，以通過二極管為 3.3 V 可充電電池充電。充電可以從低至 0.65 V 的輸入電壓開始。（圖片來源：RECOM Power）
要通過二極管對電池充電，需要更高的輸出電壓（3.6 V 對 3.3 V）。二極管可防止充滿電的電池驅動轉換器的輸出。這些轉換器還具有短路保護和過熱保護功能，以確保可靠運行。
參考設計有助于確定元器件是否滿足設計需求。對于 R-78S 系列 DC/DC 轉換器，這些參考設計提供了用于評估設備的現成工具（圖 5）。
圖 5：RECOM 的 R-78S 系列 DC/DC 轉換器的參考設計顯示，與標準 AA 電池相比，該器件的尺寸更小。該參考設計印刷電路板可以集成到原型中。（圖片來源：RECOM Power，由 Art Pini 修改）
RECOM 的 R-REF02-78S 參考設計可作為組裝好的印刷電路板提供，帶有簡單的 0.100 英寸針座和安裝孔，可輕松集成到評估原型中。轉換器的使能引腳外接至針座，用于評估轉換器的休眠模式。
針對更嚴格的器件測試，RECOM 還提供了一款評估板 R-78S3.3-0.1-EVM-1，與參考設計相比，其具有更多外接至針座的測試節點（圖 6）。
圖 6：RECOM 的 R-78SS.3-0.1-EVM-1 評估板原理圖顯示了更完整的可用測試點選擇，以及用于按需與設備通信的 USB 端口。（圖片來源：RECOM Power）
該評估板包括參考設計的所有元素，但增加了對轉換器輸入和輸出連接的訪問。額外的跳線和針座旨在允許進行各種測量，以及確定設備參數。隨附的 USB 端口可用于為板外演示電路供電。
物聯網和工業物聯網應用的供電方式多種多樣，包括線路電源、電池或能量收集。該應用在一定程度上決定了電源的要求。設計人員需要通用的電源裝置，以確保設計能夠應對各種工作場景。憑借寬輸入范圍、高效率、小尺寸和靜態待機模式，上述 RECOM 電源轉換器件成為物聯網和工業物聯網產品的主要備選電源。
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