沒有傳感器，就不會有物聯(lián)網(wǎng)（IoT），因?yàn)樗鼈兛梢詼y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(yùn)作。要確保電池供電的傳感器無須任何維護(hù)的情況下保持運(yùn)行多年是一項(xiàng)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(jì)算已經(jīng)進(jìn)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(shí)做決策和采取行動。過去幾年以來，技術(shù)的進(jìn)步腳步能突飛猛進(jìn)的主因之一是傳感器的價(jià)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(gè)大眾商品，可以讓越來越多的設(shè)備整合成一個(gè)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(gè)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(jià)格便宜還非?？煽浚贿^缺點(diǎn)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(gè)小時(shí)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(lán)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?cái)D出最后一點(diǎn)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(jì)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?cái)D出最后一點(diǎn)能量。因此R-78S的用戶只需一個(gè)1.5V的電池來為微處理器、WLAN/藍(lán)牙模塊和IoT系統(tǒng)供電，因?yàn)樵撾姵氐氖褂脡勖鼤纫话愕拟o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(shí)才會短暫激活。在這極短的時(shí)間之內(nèi)，整個(gè)電路消耗大約600μW。當(dāng)不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)激活以進(jìn)行充電。該技術(shù)保證可以達(dá)到可靠地、免維護(hù)地運(yùn)行10年以上。由于轉(zhuǎn)換器的價(jià)格不高，加上大幅降低電池和維護(hù)的成本，因此這額外的投資非常物超所值。

硬聯(lián)機(jī)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(gè)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?yàn)樗鼈兊碾娏餍盘柌灰资艿礁蓴_。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(jìn)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?yàn)橄到y(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?，F(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(gè)傳感器的數(shù)據(jù)通過DSP進(jìn)行處理和組合，然后沿著單個(gè)模擬線路，以調(diào)頻脈沖的形式發(fā)送。這需要兩個(gè)HART（高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器）調(diào)制解調(diào)器執(zhí)行，將發(fā)射器的數(shù)字?jǐn)?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(gè)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(gè)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(gè)模擬傳感器，但它們無法供給多個(gè)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(shí)效率非常高但并不能解決這個(gè)問題，因?yàn)樵诘拓?fù)載時(shí)它們也超過了4mA的閾值。即使在睡眠模式時(shí)空載電流很低，但輸出電壓也同時(shí)下降到零因此毫無幫助。線性穩(wěn)壓器也不理想，因?yàn)殡m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(dá)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?fù)浣Y(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(gè)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(gè)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(gè)優(yōu)勢是它可以輕松地與電阻組合以實(shí)現(xiàn)1.8V至5V之間的輸出電壓。

結(jié)論

      物聯(lián)網(wǎng)其實(shí)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(diǎn)能量，所以應(yīng)用可以多運(yùn)行十幾年，也沒有維修的需求。同時(shí)，由于數(shù)字化的關(guān)系，測試和檢驗(yàn)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(jìn)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。