【導讀】物聯網時代仍處于萌芽期，市場也在不斷洗牌；擁有出眾的電源管理技術無疑會是新應用取得成功的一大關鍵。本文針對物聯網話題采訪了五家行業領先半導體廠商，請他們談談物聯網時代電源管理技術會有哪些新動向，以及這些新技術反映到終端應用又會帶來哪些新的價值。
應用不同，空間和效率需求也不同
在談到物聯網電源管理技術發展趨勢時，飛思卡爾模擬和傳感器產品高級市場經理閆子波表示，飛思卡爾正在開發的電源管理IC適用于從便攜式應用到汽車應用的物聯網系統解決方案。
他認為，電源管理IC技術趨勢根據不同的終端應用而有所不同。可穿戴應用關注更高的效率來使得電池待機時間更長；由于空間限制，電源管理IC封裝尺寸必須越來越小。針對汽車應用中 功耗較大的處理器，電源管理IC則要盡量提高效率來減少熱量產生，幫助散熱和提高可靠性。
隨著應用處理器電源架構變得越來越復雜，電源管理必須更加精細，才能優化系統性能。
另一個趨勢是功能安全的要求變得更加重要，因為物聯網和系統的高度自主化致使人為監督和參與會越來越少。
作為物聯網重要一環的汽車無人駕駛和娛樂系統，更會越來越多采用符合功能安全的芯片。“飛思卡爾的應用處理器和電源管理IC都符合ISO標準。這一趨勢也同樣在工業物聯網市場中得到驗證，比如電梯控制和機器人等。”閆子波表示。
安森美半導體應用產品部AC-DC電源管理產品線總監Tim Kaske則認為，物聯網的趨勢主要是為設備添加少量電源，這些設備過去可能沒有功率要求（圖1）。物聯網需要添加一個微處理器，而這是典型的低功率設備。其中一個很好的例子是咖啡壺或電飯煲。這類產品過去只需要足夠顯示時鐘的功率，而現在它們有無線連接，當咖啡煮好或飯煮熟時提醒消費者。
圖1：安森美半導體應用產品部AC-DC電源管理產品線總監Tim Kaske
能量收集技術大行其道
凌力爾特公司電源產品市場總監Tony Armstrong則指出：“由于支持物聯網（IoT）的無線傳感器激增，對于針對無線低功率設備而定制的小型、緊湊和高效率電源轉換器的需求也增大了。物聯網領域最新出現的一個細分市場是可穿戴電子產品，從能量收集角度來看，這個細分市場尤其令人感興趣。
“可穿戴技術不僅面向人類，還有很多應用是面向動物的。無論應用目的是什么，這類設備大多數都需要一塊電池作為主電源。不過，對于面向人類的應用而言，似乎不久就會出現可利用太陽能產生電力的面料。你可以把這種面料做成的衣服想象成‘供電’套裝！Dephotex公司就已經開發出使光伏材料足夠輕、足夠柔和可以適合穿戴的方法。這種材料本身會將光子轉換成電能，然后用這種電能給用戶穿戴的各種不同電子設備供電，或者用來給這些設備的主電池充電，甚至兩種功能兼而有之。”
Maxim Integrated現場應用技術團隊資深成員Damian Anzaldo談道，IoT電源管理的發展趨勢受IoT終端設備的影響。有些IoT應用依賴于電池管理或能量收集；另一些應用則由交流電網、直流總線供電或以太網供電。每種IoT設備的電源管理發展趨勢都與具體應用相關。
圖2：Maxim Integrated現場應用技術團隊資深成員Damian Anzaldo
在電池供電應用中，一項重要的電源管理趨勢是高精度測定電池電量，并且功耗極低，占據的電路板面積非常小。另一種趨勢是將電源管理功能進行高密度模擬整合，實現IoT電源管理電路集成化（PMIC）。IoT PMIC優化用于功耗敏感和空間受限的應用。無線充電也將被用于眾多電池供電IoT設備，我們認為能量收集是一種重要的電源管理趨勢。為了從太陽能、射頻（RF）或熱電源收集能量，需要像MAX17710（圖3）這樣靜態電流僅1nA，同時可處理極不穩定大動態輸入功率（1uW~100mW）的方案。
圖3：能量收集將成為IoT設備的重要電池管理方案
Cypress公司指出：“我們的主要目標是對于無線單元與物聯網傳感器節點的集成電路電源管理（PMIC）。在物聯網領域中，大量設備包括成千上萬的傳感器都要連接上網。這些設備的電源是能否大范圍連接上的關鍵所在。目前的方案是采取系統內部的電源來操作。一般來說，物聯網系統需要更小的尺寸所以對電源的體積大小也有限制。這種情況下就帶來了電池壽命與更換的問題。誰能忍受更換成千上萬的傳感器電池還要處理有毒的化學品？這個費用和工作量都是難以承擔的。”
Cypress的能源管理PMIC這個解決方案是將周圍的能源聚集起來，比如光、震動和熱量都能作為供應系統的電源，而且能在較長時間里都減少電池的用量。Cypress正拓寬其能源管理解決方案的應用范圍。該公司希望在未來的物聯網系統中拓寬此解決方案的使用量。
物聯網技術發展的幾個觀點
“物聯網創新日益更多地由軟件來驅動而不是硬件。由于在應用處理器和電源管理IC在處理器初期已經充分驗證，采用應用處理器和同一供應商的電源管理IC，可以使開發者無需驗證硬件平臺而集中精力開發軟件。”閆子波談道，“針對飛思卡爾SafeAssure計劃重要部分的功能安全，飛思卡爾將繼續提供應用處理器和電源管理IC作為整套方案，以滿足部分功能安全的要求。”
“在功率范圍的低端是能量收集系統的毫微功率轉換需求，例如物聯網設備中常見的能量收集系統，這類系統必須使用電源轉換IC 處理非常小的功率和電流。這類功率和電流可能分別僅為數十微瓦和數十納安。”Tony則表示。
最新和現成有售的能量收集產品，例如振動能量收集產品和室內或可穿戴光伏電池產品，在典型工作條件下產生毫瓦量級的功率。盡管這個量級的功率可能看似用途有限，但是能量收集器件在數年內持續運行可能意味著，無論從所提供的能量還是從每能量單位的成本而言，能量收集技術與長壽命主電池都大致相同。此外，采用能量收集技術的系統一般能夠在電量耗盡后再充電，這種事情由主電池供電的系統是做不到的。不過，大多數解決方案都會將環境能源用作主電源，并用一塊主電池作為補充，如果環境能源消失或中斷，就切換到由主電池供電。
當然，能量收集電源提供的能量取決于該電源能夠運行多長時間。因此，比較能量收集電源的主要衡量指標是功率密度，而不是能量密度。能量收集電源提供的可用功率一般較小、可變且不可預測，因此常常使用結合能量收集器和輔助電源的混合結構。輔助電源可能是一塊可再充電電池，或一個存儲電容器（甚至可能是超級電容器）。能量收集器（由于其能量供應無限且功率不足）是系統的能源。輔助電力儲存器（或者是一塊電池，或者是一個電容器）產生較大的功率輸出，但是存儲較少的能量，在需要時供電，否則定期從能量收集器接收電荷。因此，在沒有環境能源可供收集的時候，必須用輔助電力儲存器來給下游電子系統或無線傳感器網絡（WSN）供電。
“在有些領域，我們看到IoT正在蓬勃發展。在工業控制領域和聯網家居領域，有許多產品可歸類為IoT設備。工廠自動化領域使用的工業可編程邏輯控制器（PLC）通過I/O-link、HART及傳統的4-20mA電流環路支持與遠端測量和控制設備的云連接。SCADA工業控制系統是另一種形式的IoT，已經被廣泛使用多年。”Damian則表示。
電源管理IC優勢何在？
飛思卡爾非常關注產品的耐用、可靠的產品性能，這個理念貫穿于包括產品定義、測試過程和驗證的整個流程，飛思卡爾的電源管理IC具有很好的可靠性；可以組合其微控制器和網絡處理器產品組成完整方案，進行交叉銷售，幫助客戶設計所要求完美的嵌入式解決方案。飛思卡爾電源管理IC通過軟件配置輸出的上下電順序、電流輸出能力和電壓值。同時，其電源管理IC具有一流的輕負載效率，優化系統功耗。
“凌力爾特的電源轉換IC提供必要的功能和性能，使這種功率值較低的能量收集系統能夠用于物聯網。”Tony說。
LTC3331是一款完整的能量收集調節解決方案。LTC3331的能量收集電源由一個接受AC或DC輸入的全波橋式整流器和一個高效率同步降壓型轉換器組成，從壓電（AC）、太陽（DC）或磁性（AC）能源收集能量。當可收集能量可用時，它提供高達50mA的連續輸出電流，以延長電池壽命。當用收集的能量向負載提供穩定的功率時，該器件無需電池提供電源電流，當在無負載情況下由電池供電時，工作電流僅為950nA。
另一個例子是LTC3388-1/LTC3388-3。該器件是一款20V輸入同步降壓型轉換器，可提供高達50mA的連續輸出電流，采用3mm×3mm（或MSOP10-E）封裝。LTC3388-1/LTC3388-3在2.7V至20V的輸入電壓范圍內工作，因此非常適合多種能量收集和電池供電物聯網應用，包括“保持有效”傳感器和工業控制電源。LTC3388-1/LTC3388-3采用同步遲滯整流，以在很寬的負載電流范圍內優化效率。該器件在15μA至50mA負載時能夠提供超過90%的效率，僅需要400nA靜態電流，從而能夠延長用作輔助電源的電池的壽命。
在移動領域，對于智能手機等設備，Maxim憑借擁有專利的ModelGauge技術，成為PMIC和電池流量計領域的市場領導者。“我們正在將移動領域的優勢擴展至IoT可穿戴設備市場，這點體現在MAX14676，這是一款適用于IoT可穿戴應用的充電管理方案，例如健身手表。該器件的工作電流極低，集成了多片DC-DC穩壓器、電池充電器，以及嵌入式ModelGauge電池電量計。MAX14676采用小尺寸42焊球WLP封裝，只有3.497mm×3.118mm大小。這種帶有嵌入式知識產權（IP）的高度模擬集成對于尋求最小電源方案的客戶非常有價值，使方案的功耗達到最低，以延長產品的工作時間。”Damian說。
在工業領域，Maxim在POL電源調節器和高壓降壓轉換器領域具有強大優勢。許多工業應用需要高電壓降壓轉換器，以較小的方案尺寸提供高效率。Maxim的喜馬拉雅系列60V降壓轉換器，如MAX17552，是第一款帶有內部補償和同步整流的高壓降壓型電源方案。MAX17552的優勢在于輸入電壓安全裕量，無需分立式肖特基二極管，具有較高的效率，無需外部補償元件。相對于最接近的競爭產品，該器件的效率提高8%，方案尺寸減小50%，外部元件數量減少75%。對于緊湊型及功耗敏感的工業IoT應用，例如微型PLC和4-20mA環路傳感器，MAX17552提供了最優化解決方案。
對于通信領域的電源產品，Maxim的POE電源控制器方案占有極為重要的位置，滿足POE+和即將施行的IEEE P802.3bt標準。利用有線LAN基礎設施實現供電和通信能力，使得POE成為IoT世界的一項重要技術支撐。Maxim最新發布的參考設計為POE供電的LED燈，該參考設計可通過Android或iOS智能手機應用進行控制。參考設計演示POE在住宅和商業照明應用領域的IoT能力。參考設計展示MAX5969A受電設備控制器、MAX15062降壓型DC-DC轉換器，以及MAX16832A高亮度LED驅動器。
“過去幾年安森美半導體一直專注于提升輕載和空載的能效。例如，過去為達到美國能源之星標準或歐洲行為準則認證，某些產品的空載待機能耗必須小于0.5瓦。這些標準的認證水平現已提高至小于0.1瓦，但安森美半導體的方案可低至0.01瓦。為解決這一挑戰，安森美半導體已開發新的晶圓工藝技術及創新的電路以降低功耗。這技術能力讓我們令產品在低功率應用中更具高能效。從技術角度來看，我們的一個關鍵優勢是直接連接至高壓電源的能力。安森美半導體在高壓處理能力方面已是先鋒，提供多個器件和電路優化用于感測輸入電壓同時將功耗降至最低。我們現在提供完整的解決方案，不僅在滿載時提供高能效電源，而且在低輸入電壓和輕載時智能地優化功耗。”Tim表示。
物聯網應用電源設計的迫切需求
“物聯網應用電源設計面臨著很多挑戰，比如面積限制、高于90%的轉換效率、低功耗模式下的低漏電流和低靜態電流、散熱管理和設計的復雜性等等。”閆子波說，“最終的軟件編碼也會影響功耗的大小，因此在軟件完成之前在硬件優化的電源性能不一定是最優的設計。”
“在功率范圍的‘低’端，WSN、傳感器和物聯網設備中的毫微功率轉換變得越來越常見，因此需要能夠用非常小的功率和電流工作的電源轉換IC。這些功率和電流常常分別為數十微瓦和數十納安。但是，工作在不到1μA電流的可用電源轉換產品（包括電池充電器）卻極其有限。”Tony補充說。
Damian表示：“IoT可穿戴設備等移動應用對功耗非常敏感，并且空間極為狹小。減小方案尺寸、降低物料清單（BOM）成本對于我們的客戶非常重要。我們的電源設計挑戰在于實現極高模擬整合水平的同時，將分立式無源元件的數量降至最少。另一項挑戰是優化電源電路結構，實現最佳的電源效率。”
他認為，IoT設備的最大挑戰之一是電池壽命，其中許多設備的靜態電流非常低，以最大程度地延長充電間隔。在有些情況下，因為IoT設備“始終打開”，要求靜態電流極低。對于其它應用，由于設備大部分時間處于休眠模式，所以靜態功耗非常重要。這些靜態電流遠遠低于傳統的智能手機，使得當今許多電源管理方案不太適合。
IoT領域的重要部分是與數據中心的云連接。IoT和大數據分析將明顯增大數據中心的能源需求。這意味著數據中心服務器的電源方案必須解決高負載電流時的高功率密度。隨著數字處理器的工藝構造達到28nm、速度提高至1GHz以上，直流電源轉換器必須支持低壓核電壓的較高負載電流，并提供卓越的瞬態響應。此類應用中的負載電流可達到150A@1.0V核心電源軌，瞬態達到30A/us。結合負載要求，數據中心電源管理方案必須提供最高效率，效率達到95%，以降低散熱和節省能源成本。對于為下一代數據中心服務器應用開發POL電源方案的IC設計者，面臨多項挑戰。
車聯網的涌現使得汽車成為另一個重要的IoT市場。車聯網領域的強大市場驅動在于對信息娛樂系統、駕駛者安全和無線云連接的旺盛需求。汽車IoT市場帶來了獨特的電源設計挑戰。無線音響單元中的半導體部件成指數增長，其中包括了汽車中不同的電子子系統。這些子系統要求電源管理IC必須能夠應對嚴苛的設計挑戰，例如負載沖擊瞬態（高達42V）、冷啟動條件下工作（低至5V）、電磁干擾（AM波段）、寬工作溫度（高達+105°C）、超低待機電流，以及優異的電源轉換效率。為克服艱難的設計挑戰，模擬電源公司需要采用正確的技術組合、IC工藝，以及具有產品定義經驗的IC設計天才。
Tim則認為：“物聯網電源設計的最大挑戰是參與并支持可能對電源管理不熟悉的不同設計群組。雖然電源方案看似簡單，但它的確需要模擬電源設計的專知以完成強固的方案，同時也以高性價比的方式符合終端產品的需求。為此安森美半導體提供在線工具，如GreenPoint，客戶可在構建一個硬件的實施前建立并仿真他們的設計。”
應物聯網需求量身打造最新電源管理
“新的產品會采用更小的封裝、更高效的架構和實施措施。代碼編寫完成并就位后，可以靈活地配置軟件代碼來優化電源。”閆子波說，“在2015年6月下旬舉行的美國飛思卡爾技術論壇上，我們將推出PF3000電源管理IC，來配合超低功耗的Cortex A7內核處理器產品系列（圖4）。它還能給新一代i.MX系列應用處理器供電。”
圖4：飛思卡爾PF3000電源管理IC
此外，PF3000電源管理IC非常適合Cortex A9內核產品系列，特別是i.MX 6系列成員，包括i.MX 6Solo、i.MX 6SoloLite和i.MX 6SoloX。
飛思卡爾不斷創新推出進一步小型化的產品，以支持物聯網創新。飛思卡爾將繼續認證符合功能安全ISO標準的新產品。該公司下一步設計將繼續增強集成度，實現更低功耗、更低的靜態電流和多相輸出能力。
“為了幫助設計師應對物聯網設備需要較低功率轉換的挑戰，凌力爾特公司一直在開發具備必要性能特點以滿足這類應用需求的電源轉換和管理IC。這些IC的一些特色和功能包括：低備用靜態電流——一般低于6μA，可低至450nA；低啟動電壓——低至20mA；高輸入電壓能力——高達34V連續和40V瞬態；能夠接受AC輸入；多路輸出能力和自主的系統電源管理；面向太陽能輸入的最大功率點控制（MPPC）；解決方案占板面積緊湊，所需外部器件最少。”Tony說。
“對于IoT電源領域，Maxim具有獨特的綜合優勢：豐富的產品、IP算法、封裝技術、制造工藝及終端設備知識，以及卓越的設計、產品定義和應用工程天才。得益于以上因素，Maxim能夠整合各種技術優勢，解決IoT領域面臨的各種電源設計挑戰。”Damian指出，“以移動IoT領域為例，我們能夠整合多種不同的電源和電池管理功能，例如多個開關模式POL電源、多個線性調節器、電池充電、電池電量計以及USB-AC適配器智能電源開關。此外，我們能夠集成耳麥音頻放大器、揚聲器音頻放大器、混合信號ADC/DAC通道、GPIO和實時時鐘功能。這是Maxim整合多種學科來集中解決客戶奇特需求的一個例子，例如方案尺寸和BOM成本。”
為延長IoT設備中的電池壽命，MAX14676優化用于在極低工作電流下提供高效率。器件集成ModelGauge算法，能夠為當前可用的任何方案提供最高精度的電量計量，有效延長電池壽命。高準確度使其能夠在較深放電水平下可靠工作。
MAX16993為汽車PMIC，解決了無線音響單元設計問題。MAX16993的效率超過90%，集成了解決負載沖擊、冷啟動、EMI、溫度范圍及待機電流所需的全部功能。這是Maxim充分利用IC工藝、設計天才和產品定義知識來解決IoT挑戰的例子。
“我們正借助專門設計PMIC的專業技術來設計復雜的電路，以此滿足系統的要求。能源管理系統就是其中一個解決方案。”Cypress公司談道。
Cypress面向能量收集的電源管理IC有兩款：用于光/振動能量采集的超低功耗降壓電源管理IC——MB39C811，和用于光電/熱電能量采集的超低輸入升壓電源管理IC的MB39C831（圖5）。
圖5：MB39C811/831能量收集系統結構框圖
MB39C811包括低功耗的全波橋式整流器，以及比較器方式的高效率降壓型DC/DC轉換器。它為高輸出阻抗的能量源（如壓電換能器）提供能量采集解決方案。
MB39C811能夠選擇8個預置的輸出電壓，并能提供高達100mA的輸出電流。
MB39C831則是一個高效率同步整流升壓直流/直流轉換器IC，它能夠有效地將從光電器件（包括單串或多串）或從熱電器件（TEG）獲取的能量提供給鋰離子電池。
它具有調整DC-DC轉換器輸出，使光電器件能夠工作在最大功率點的功能（MPPT：最大功率點跟蹤），并具有安全地給鋰離子電池充電的保護功能。它可以從0.35V的低輸入電壓起動，適用于使用單串光電器件作為輸入的應用。
“我們計劃推出第二代電源管理PMIC，它會顯著減少電源損耗量與操作中的電壓。這樣才能讓小傳感器模塊與小太陽能電池相結合。”Cypress公司補充說。
“安森美半導體正為低功率應用創建更多的參考設計和支持工具。我們的在線設計工具每月完成2,000多個設計。這令設計工程師有經證實的方案作為起點，利用可用設計以確保他們不會延遲生產其核心終端產品。系統級方案可在實施硬件前被修改和優化。安森美半導體還有強大的現場支援工程團隊、在線技術幫助和區域技術專家在客戶的設計流程中幫助他們。從我們客戶的反饋，已證實安森美半導體的仿真和設計流程已為他們節省了數周至數月的產品開發周期。
“安森美半導體將推出更多低功率產品如NCP1060、NCP1070，將脈寬調制（PWM）控制器和MOSFET集成到單個封裝中。我們的集成轉換器減少了元器件總數量，且更易于實現設計。這類典型的電源產品可減少一半的總元件數，并減少1/4的產品尺寸/重量。安森美半導體還提供初級端穩壓產品如NCP1360，更進一步減少元器件，應對空間受限的物聯網設備的要求。它無需光耦這種典型的在系統中MTBF（平均故障間隔時間）最低的元件，從而成為更強固的電源。安森美半導體正定期增加數字含量嵌入到我們的模擬控制器和轉換器，以令產品更通用，從而更適合快速演變的市場如物聯網。數字部分的可編程性使我們能快速提供新的產品配置，因應將來電源需求的變化。”Tim最后表示。
