沒有傳感器，就不會有物聯網（IoT），因為它們可以測量和記錄溫度、亮度、移動等各種參數，并將數據傳輸到智能控制設備里。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。本文將介紹如何透過創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環路汲取三倍的電流。
隨著Industry 4.0的到來，信息物理系統(CPS)、物聯網(IoT)和云計算已經進入現代化工廠。作為綜合通信網絡，CPS可以與其他系統及人類通信的同時做決策和采取行動。過去幾年以來，技術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，傳感器技術仍高度專業化。而今天，傳感器是一個大眾商品，可以讓越來越多的設備整合成一個網絡來組合、處理和交換更大量的數據。然而，這種網絡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，不過缺點是需要經常換新。充滿電的CR2032鈕扣電池供應約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）。結果就是傳輸會變得不穩定或者信號范圍可能突然受到限制。
使用開關穩壓器延長電池壽命
圖1：R-78S升壓型開關穩壓器不僅延長IoT應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升壓行開關穩壓器（圖1）是專為電池供電的IoT器件所設計開發的。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可以設置睡眠模式，節省寶貴的電池電量。
圖2顯示R-78S在無線模塊中的典型應用。該電路僅在發送數據時才會短暫激活。在這極短的時間之內，整個電路消耗大約600μW。當不發送數據時，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。該技術保證可以達到可靠地、免維護地運行10年以上。由于轉換器的價格不高，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。
硬聯機系統的解決方案
在過程控制技術中，4-20mA環路已是一個很穩定的技術。該技術在開發的七十年后仍被廣泛使用，并將繼續在許多應用上發揮重要的功能。4-20mA環路非常適合惡劣的工業環境，因為它們的電流信號不易受到干擾。這些回路根據簡單的雙線技術，信號是以特定電流的形式進行傳輸。在所有的應用中，4mA是0%而20mA是100%，這讓系統很安全因為系統必須至少有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。現代的數字技術讓4-20mA環路發揮會更大的作用。在最新的4-20mA環路系統中，來自多個傳感器的數據通過DSP進行處理和組合，然后沿著單個模擬線路，以調頻脈沖的形式發送。這需要兩個HART（高速可尋址遠程傳感器）調制解調器執行，將發射器的數字數據包調制成模擬信號，然后在接收器再次解調數據（如圖3所示）。這種方法可以在不安裝更多的環路電纜的情況下集成數個傳感器，這是為什么在制造業中HART是現在最流行的數據協議的主要原因。因此，HART技術在保持4-20mA環路技術上扮演著舉足輕重的角色。
圖3：使用DSP和HART調制解調器可以讓多個傳感器的信號整合并以數字形式通過4-20mA環路。這些器件由創新的電流增壓器供電，跟傳統的線性穩壓器相比，增壓器能夠從環路中汲取三倍的功率。
驅動傳感器的電流界面
在4-20mA環路中，低于測量閾值（<4mA）的電流可為傳感器和其他設備供電。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。盡管傳統的開關穩壓器的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。線性穩壓器也不理想，因為雖然0.5mA的空閑電流在4-20mA環路的“綠色范圍”內，但它們的效率很低，只能產生開關穩壓器能汲取的三分之一的功率。
圖4：緊湊型R420-1.8/PL開關穩壓器從環路使用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開關穩壓器（圖4）是克服這些所有問題的最佳解決方案。由于有創新的拓撲結構，R420-1.8/PL的空閑電流已經降低到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調制解調器或者多個傳感器，且完全不會降低環路的功能或者系統的測量精度。新的開關穩壓器的另一個優勢是它可以輕松地與電阻組合以實現1.8V至5V之間的輸出電壓。
結論
物聯網其實是傳感器的互聯網，因此創新的電源解決方案是重要關鍵。RECOM提供的智能組件能節省電池電力，例如R78-S升壓型開關穩壓器。這些調節器可以擠出電池最后一點能量，所以應用可以多運行十幾年，也沒有維修的需求。同時，由于數字化的關系，測試和檢驗技術（如4-20mA環路）越來越受歡迎。開關穩壓器不斷在進步，例如RECOMR420提供的功率比傳統線性穩壓器多出三倍，而這些創新的開關穩壓器可以確保過去為我們服務多年的技術在未來持續下去。
