IIoT 应用(yòng)中的功耗：線(xiàn)性稳压器与 DC/DC 降压转换器

2022-03-14

IIoT 应用(yòng)中的功耗：線(xiàn)性稳压器与 DC/DC 降压转换器

对于物(wù)联网 (IoT)，尤其是工业物(wù)联网 (IIoT) 设备，功耗可(kě)能(néng)是一个主要障碍。為(wèi)了克服这一挑战，線(xiàn)性稳压器和降压转换器可(kě)能(néng)是有(yǒu)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長(cháng)，一些行业正在其流程中采用(yòng)物(wù)联网系统。 

更具體(tǐ)地说，IIoT 在工业设施中具有(yǒu)多(duō)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(yòng) IIoT 的一个重大障碍是低效的電(diàn)源转换和利用(yòng)。通过适当的研究和开发，工程师可(kě)以提供解决方案来提高功率转换并优化利用(yòng)效率。

在本文(wén)中，我们将介绍 IIoT 的一些電(diàn)源利用(yòng)挑战、線(xiàn)性稳压器的缺点、用(yòng)于 IIoT 应用(yòng)的DC/DC 降压转换器，以及 ROHM 针对 IIoT 的潜在電(diàn)源解决方案。

IIoT 中的電(diàn)力利用(yòng)挑战 

一个常见的 IIoT 应用(yòng)是遠(yuǎn)程数据监控。此应用(yòng)程序所需的实时数据分(fēn)析需要越来越大的功率。虽然智能(néng)家居和智能(néng)工厂等大规模应用(yòng)利用(yòng)電(diàn)网能(néng)源，但许多(duō)其他(tā)应用(yòng)都是電(diàn)池驱动的。

无论電(diàn)源如何，由于電(diàn)源有(yǒu)限，节能(néng)解决方案对于优化 IIoT 系统中的電(diàn)源转换和利用(yòng)至关重要。因此，工程师必须通过為(wèi) 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/或延長(cháng)電(diàn)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(yòng)的配置通常包括CPU、传感器和无線(xiàn)模块，用(yòng)于整體(tǐ)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(duō)种功率模式下运行，因此它们需要恒定功率才能(néng)在模式之间进行有(yǒu)效转换。例如，IIoT 传感应用(yòng)可(kě)以从低功耗待机模式过渡到高功耗无線(xiàn)数据传输模式。

通过集成電(diàn)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(kě)以确保在電(diàn)池驱动的 IIoT 应用(yòng)中优化功耗。

传统電(diàn)源 IC 的挑战：線(xiàn)性稳压器的缺点

電(diàn)力電(diàn)子设备，包括線(xiàn)性稳压器和开关转换器，通常集成到電(diàn)池驱动的電(diàn)子设备中。 

線(xiàn)性稳压器使用(yòng)線(xiàn)性非开关技术调制電(diàn)源的输出電(diàn)压。線(xiàn)性稳压器在電(diàn)池驱动应用(yòng)中的一些优势包括成本低、電(diàn)路复杂性最小(xiǎo)化和外部元件数量少。

由于这些优势，線(xiàn)性稳压器仍然是许多(duō)应用(yòng)中不可(kě)或缺的组成部分(fēn)。 

然而，線(xiàn)性稳压器有(yǒu)几个缺点，可(kě)能(néng)会对電(diàn)池驱动的 IIoT 应用(yòng)的效率产生不利影响，包括：

高细胞计数

更大的压差

電(diàn)池寿命缩短

效率低

高热量产生

让我们仔细看看線(xiàn)性稳压器与热管理(lǐ)和電(diàn)池数量挑战之间的关系。

線(xiàn)性调节器的发热

線(xiàn)性稳压器的一个主要缺点是产生高热量。通常，延長(cháng)使用(yòng)線(xiàn)性稳压器為(wèi)電(diàn)子设备供電(diàn)会导致 IC 产生大量热量，遠(yuǎn)高于其温度范围。这反过来又(yòu)会导致 IC 不时关闭。 

此外，為(wèi)了满足多(duō)种应用(yòng)中更高的输入電(diàn)流和電(diàn)压要求，需要使用(yòng)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(yǒu)恒定输出電(diàn)压能(néng)力外，線(xiàn)性稳压器中产生的过多(duō)热量会导致效率低下，从而难以满足電(diàn)池驱动的 IIoT 应用(yòng)的低功耗和节電(diàn)要求。

線(xiàn)性稳压器和電(diàn)池单元数 

另一个缺点是使用(yòng)線(xiàn)性稳压器通常会导致更高的電(diàn)池单元数。

在包含線(xiàn)性稳压器的電(diàn)池驱动应用(yòng)中，工程师必须满足严格的電(diàn)池数量要求：更高的输出電(diàn)压需要足够多(duō)的串联電(diàn)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、镍镉或镍氢電(diàn)池。

由于锂電(diàn)池提供更高的電(diàn)压，基于锂電(diàn)池的应用(yòng)可(kě)能(néng)需要更少的電(diàn)池。此外，虽然 5 V 输出可(kě)能(néng)需要至少五个额外的電(diàn)池，但 12 V 输出将具有(yǒu)相应更高的電(diàn)池数量要求。 

因此，无论電(diàn)池类型如何，基于線(xiàn)性稳压器的電(diàn)池驱动应用(yòng)都表现出高電(diàn)池数，从而导致设计成本高、设备占位面积大和功率利用(yòng)效率低等额外问题。

基于对線(xiàn)性稳压器缺点的评估，我们可(kě)以看到需要更高效率的解决方案，以确保 IIoT 应用(yòng)中的高性能(néng)和功率优化。

IIoT 应用(yòng)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(kě)以在電(diàn)池驱动的 IIoT 应用(yòng)中实现更高的效率。

与線(xiàn)性稳压器不同，DC/DC 降压转换器产生低热量，无需使用(yòng)笨重的散热器。借助开关元件，这些電(diàn)源 IC 可(kě)以将输入電(diàn)源转换為(wèi)脉冲電(diàn)压。降压转换器使用(yòng)電(diàn)感器、電(diàn)容器和其他(tā)元件对脉冲電(diàn)压进行平滑处理(lǐ)。

将 DC/DC 降压转换器集成到電(diàn)池驱动的 IIoT 应用(yòng)中可(kě)以显着延長(cháng)電(diàn)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(kě)以确保低功耗和低热量产生。 

電(diàn)源 IC 通过临时存储输入能(néng)量并在所需的输出電(diàn)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(néng)，例如超低功耗 (ULP) 模式，该模式提供了有(yǒu)利于 IIoT 传感应用(yòng)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電(diàn)压在正常模式和 ULP 模式之间转换。设计人员可(kě)以利用(yòng)两个比较器（例如，主比较器和 ULP 比较器）来监控 IC 的输出電(diàn)压。此外，通过检测这些比较器中電(diàn)压引起的阻抗变化，IC 可(kě)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(yòng)中功率优化的重要来源。