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IIoT 应用中的功耗：线性稳压器与 DC/DC 降压转换器
IIoT 应用中的功耗：线性稳压器与 DC/DC 降压转换器
对于物联网 (IoT)，尤其是工业物联网 (IIoT) 设备，功耗可能是一个主要障碍。为了克服这一挑战，线性稳压器和降压转换器可能是有益的。
随着工业和制造运营中对提高生产力、效率和工作场所安全的需求不断增长，一些行业正在其流程中采用物联网系统。
更具体地说，IIoT 在工业设施中具有多种优势，包括降低成本、减少停机时间以及增强员工和资产的安全性。然而，广泛采用 IIoT 的一个重大障碍是低效的电源转换和利用。通过适当的研究和开发，工程师可以提供解决方案来提高功率转换并优化利用效率。
在本文中，我们将介绍 IIoT 的一些电源利用挑战、线性稳压器的缺点、用于 IIoT 应用的DC/DC 降压转换器，以及 ROHM 针对 IIoT 的潜在电源解决方案。
IIoT 中的电力利用挑战
一个常见的 IIoT 应用是远程数据监控。此应用程序所需的实时数据分析需要越来越大的功率。虽然智能家居和智能工厂等大规模应用利用电网能源，但许多其他应用都是电池驱动的。
无论电源如何，由于电源有限，节能解决方案对于优化 IIoT 系统中的电源转换和利用至关重要。因此，工程师必须通过为 IIoT 系统设计低功耗解决方案来应对这一挑战，以降低功耗和/或延长电池寿命。
设计低功耗解决方案通常从组件级别开始。IIoT 传感应用的配置通常包括CPU、传感器和无线模块，用于整体控制、环境数据采集和通信。
由于这些设备在包括活动和待机在内的多种功率模式下运行，因此它们需要恒定功率才能在模式之间进行有效转换。例如，IIoT 传感应用可以从低功耗待机模式过渡到高功耗无线数据传输模式。
通过集成电源 IC，例如提供超低功耗 (ULP) 模式的 DC/DC 降压转换器，工程师可以确保在电池驱动的 IIoT 应用中优化功耗。
传统电源 IC 的挑战：线性稳压器的缺点
电力电子设备，包括线性稳压器和开关转换器，通常集成到电池驱动的电子设备中。
线性稳压器使用线性非开关技术调制电源的输出电压。线性稳压器在电池驱动应用中的一些优势包括成本低、电路复杂性最小化和外部元件数量少。
由于这些优势，线性稳压器仍然是许多应用中不可或缺的组成部分。
然而，线性稳压器有几个缺点，可能会对电池驱动的 IIoT 应用的效率产生不利影响，包括：
高细胞计数
更大的压差
电池寿命缩短
效率低
高热量产生
让我们仔细看看线性稳压器与热管理和电池数量挑战之间的关系。
线性调节器的发热
线性稳压器的一个主要缺点是产生高热量。通常，延长使用线性稳压器为电子设备供电会导致 IC 产生大量热量，远高于其温度范围。这反过来又会导致 IC 不时关闭。
此外，为了满足多种应用中更高的输入电流和电压要求，需要使用庞大的散热器来确保 IC 保持在指定的温度范围内。因此，除了具有恒定输出电压能力外，线性稳压器中产生的过多热量会导致效率低下，从而难以满足电池驱动的 IIoT 应用的低功耗和节电要求。
线性稳压器和电池单元数
另一个缺点是使用线性稳压器通常会导致更高的电池单元数。
在包含线性稳压器的电池驱动应用中，工程师必须满足严格的电池数量要求：更高的输出电压需要足够多的串联电池数量。例如，3.3 V 输出至少需要三个额外的 1–1.5 V 碱性、镍镉或镍氢电池。
由于锂电池提供更高的电压，基于锂电池的应用可能需要更少的电池。此外，虽然 5 V 输出可能需要至少五个额外的电池，但 12 V 输出将具有相应更高的电池数量要求。
因此，无论电池类型如何，基于线性稳压器的电池驱动应用都表现出高电池数，从而导致设计成本高、设备占位面积大和功率利用效率低等额外问题。
基于对线性稳压器缺点的评估，我们可以看到需要更高效率的解决方案，以确保 IIoT 应用中的高性能和功率优化。
IIoT 应用的功率优化：DC/DC 降压转换器
通过将 DC/DC 降压转换器集成到 IIoT 设备中，设计人员可以在电池驱动的 IIoT 应用中实现更高的效率。
与线性稳压器不同，DC/DC 降压转换器产生低热量，无需使用笨重的散热器。借助开关元件，这些电源 IC 可以将输入电源转换为脉冲电压。降压转换器使用电感器、电容器和其他元件对脉冲电压进行平滑处理。
将 DC/DC 降压转换器集成到电池驱动的 IIoT 应用中可以显着延长电池寿命并降低功耗。通过最大化转换器的开关效率，设计人员可以确保低功耗和低热量产生。
电源 IC 通过临时存储输入能量并在所需的输出电压下释放它来确保优化功耗。此外，一些降压转换器提供了额外的功能，例如超低功耗 (ULP) 模式，该模式提供了有利于 IIoT 传感应用的瞬态响应和最佳恒定导通时间控制。
支持 ULP 的降压转换器通过逐脉冲监测输出电压在正常模式和 ULP 模式之间转换。设计人员可以利用两个比较器（例如，主比较器和 ULP 比较器）来监控 IC 的输出电压。此外，通过检测这些比较器中电压引起的阻抗变化，IC 可以从正常模式切换到 ULP 模式，反之亦然。
这些无缝转换也是 IIoT 应用中功率优化的重要来源。