IIoT 應用中的功耗：線性穩壓器與 DC/DC 降壓轉換器

2022-03-14

IIoT 應用中的功耗：線性穩壓器與 DC/DC 降壓轉換器

對于物聯網 (IoT)，尤其是工業物聯網 (IIoT) 設備，功耗可能是一個主要障礙。為了克服這一挑戰，線性穩壓器和降壓轉換器可能是有益的。

隨著工業和制造運營中對提高生產力、效率和工作場所安全的需求不斷增長，一些行業正在其流程中采用物聯網系統。 

更具體地說，IIoT 在工業設施中具有多種優勢，包括降低成本、減少停機時間以及增強員工和資產的安全性。然而，廣泛采用 IIoT 的一個重大障礙是低效的電源轉換和利用。通過適當的研究和開發，工程師可以提供解決方案來提高功率轉換并優化利用效率。

在本文中，我們將介紹 IIoT 的一些電源利用挑戰、線性穩壓器的缺點、用于 IIoT 應用的DC/DC 降壓轉換器，以及 ROHM 針對 IIoT 的潛在電源解決方案。

IIoT 中的電力利用挑戰 

一個常見的 IIoT 應用是遠程數據監控。此應用程序所需的實時數據分析需要越來越大的功率。雖然智能家居和智能工廠等大規模應用利用電網能源，但許多其他應用都是電池驅動的。

無論電源如何，由于電源有限，節能解決方案對于優化 IIoT 系統中的電源轉換和利用至關重要。因此，工程師必須通過為 IIoT 系統設計低功耗解決方案來應對這一挑戰，以降低功耗和/或延長電池壽命。 

設計低功耗解決方案通常從組件級別開始。IIoT 傳感應用的配置通常包括CPU、傳感器和無線模塊，用于整體控制、環境數據采集和通信。 

由于這些設備在包括活動和待機在內的多種功率模式下運行，因此它們需要恒定功率才能在模式之間進行有效轉換。例如，IIoT 傳感應用可以從低功耗待機模式過渡到高功耗無線數據傳輸模式。

通過集成電源 IC，例如提供超低功耗 (ULP) 模式的 DC/DC 降壓轉換器，工程師可以確保在電池驅動的 IIoT 應用中優化功耗。

傳統電源 IC 的挑戰：線性穩壓器的缺點

電力電子設備，包括線性穩壓器和開關轉換器，通常集成到電池驅動的電子設備中。 

線性穩壓器使用線性非開關技術調制電源的輸出電壓。線性穩壓器在電池驅動應用中的一些優勢包括成本低、電路復雜性最小化和外部元件數量少。

由于這些優勢，線性穩壓器仍然是許多應用中不可或缺的組成部分。 

然而，線性穩壓器有幾個缺點，可能會對電池驅動的 IIoT 應用的效率產生不利影響，包括：

高細胞計數

更大的壓差

電池壽命縮短

效率低

高熱量產生

讓我們仔細看看線性穩壓器與熱管理和電池數量挑戰之間的關系。

線性調節器的發熱

線性穩壓器的一個主要缺點是產生高熱量。通常，延長使用線性穩壓器為電子設備供電會導致 IC 產生大量熱量，遠高于其溫度范圍。這反過來又會導致 IC 不時關閉。 

此外，為了滿足多種應用中更高的輸入電流和電壓要求，需要使用龐大的散熱器來確保 IC 保持在指定的溫度范圍內。因此，除了具有恒定輸出電壓能力外，線性穩壓器中產生的過多熱量會導致效率低下，從而難以滿足電池驅動的 IIoT 應用的低功耗和節電要求。

線性穩壓器和電池單元數 

另一個缺點是使用線性穩壓器通常會導致更高的電池單元數。

在包含線性穩壓器的電池驅動應用中，工程師必須滿足嚴格的電池數量要求：更高的輸出電壓需要足夠多的串聯電池數量。例如，3.3 V 輸出至少需要三個額外的 1–1.5 V 堿性、鎳鎘或鎳氫電池。

由于鋰電池提供更高的電壓，基于鋰電池的應用可能需要更少的電池。此外，雖然 5 V 輸出可能需要至少五個額外的電池，但 12 V 輸出將具有相應更高的電池數量要求。 

因此，無論電池類型如何，基于線性穩壓器的電池驅動應用都表現出高電池數，從而導致設計成本高、設備占位面積大和功率利用效率低等額外問題。

基于對線性穩壓器缺點的評估，我們可以看到需要更高效率的解決方案，以確保 IIoT 應用中的高性能和功率優化。

IIoT 應用的功率優化：DC/DC 降壓轉換器

通過將 DC/DC 降壓轉換器集成到 IIoT 設備中，設計人員可以在電池驅動的 IIoT 應用中實現更高的效率。

與線性穩壓器不同，DC/DC 降壓轉換器產生低熱量，無需使用笨重的散熱器。借助開關元件，這些電源 IC 可以將輸入電源轉換為脈沖電壓。降壓轉換器使用電感器、電容器和其他元件對脈沖電壓進行平滑處理。

將 DC/DC 降壓轉換器集成到電池驅動的 IIoT 應用中可以顯著延長電池壽命并降低功耗。通過最大化轉換器的開關效率，設計人員可以確保低功耗和低熱量產生。 

電源 IC 通過臨時存儲輸入能量并在所需的輸出電壓下釋放它來確保優化功耗。此外，一些降壓轉換器提供了額外的功能，例如超低功耗 (ULP) 模式，該模式提供了有利于 IIoT 傳感應用的瞬態響應和最佳恒定導通時間控制。 

支持 ULP 的降壓轉換器通過逐脈沖監測輸出電壓在正常模式和 ULP 模式之間轉換。設計人員可以利用兩個比較器（例如，主比較器和 ULP 比較器）來監控 IC 的輸出電壓。此外，通過檢測這些比較器中電壓引起的阻抗變化，IC 可以從正常模式切換到 ULP 模式，反之亦然。 

這些無縫轉換也是 IIoT 應用中功率優化的重要來源。