没有传感器，就不会有物联网（IoT），因为它们可以测量和记录温度、亮度、移动等各种参数，并将数据传输到智能控制设备里。虽然它们的功耗通常很低，传感器也需要电源才能运作。要确保电池供电的传感器无须任何维护的情况下保持运行多年是一项困难的任务。本文将介绍如何透过创新的解决方案来大幅延长电池的使用寿命，以及如何从4-20mA环路汲取三倍的电流。
随着Industry 4.0的到来，信息物理系统(CPS)、物联网(IoT)和云计算已经进入现代化工厂。作为综合通信网络，CPS可以与其他系统及人类通信的同时做决策和采取行动。过去几年以来，技术的进步脚步能突飞猛进的主因之一是传感器的价格下降。仅在十年以前，传感器技术仍高度专业化。而今天，传感器是一个大众商品，可以让越来越多的设备整合成一个网络来组合、处理和交换更大量的数据。然而，这种网络中的每一个传感器都必须使用集中电源或电池。
3V钮扣电池的神话
许多IoT和Industry 4.0应用使用3V钮扣电池，不仅价格便宜还非常可靠，不过缺点是需要经常换新。充满电的CR2032钮扣电池供应约3.2V的电压，仅在几个小时就降至3V以下，这对某些无线模块来说可能是不够的（如WLAN、蓝牙、LoRaWAN等）。结果就是传输会变得不稳定或者信号范围可能突然受到限制。
使用开关稳压器延长电池寿命
图1：R-78S升压型开关稳压器不仅延长IoT应用中电池的使用寿命，而且还能从电池挤出最后一点电量。
翌芯科技代理品牌RECOM的R-78S升压行开关稳压器（图1）是专为电池供电的IoT器件所设计开发的。即插即用的模块可以从0.65VDC至3.15VDC的输入电压提供3.3V的稳定输出，而且还能从电池挤出最后一点能量。因此R-78S的用户只需一个1.5V的电池来为微处理器、WLAN/蓝牙模块和IoT系统供电，因为该电池的使用寿命会比一般的钮扣电池要长许多。
图2：将缓冲电容集成到电路中的R-78可以设置睡眠模式，节省宝贵的电池电量。
图2显示R-78S在无线模块中的典型应用。该电路仅在发送数据时才会短暂激活。在这极短的时间之内，整个电路消耗大约600μW。当不发送数据时，电路处于睡眠模式，R-78S则由缓冲电容器供电，仅消耗7μA。如果电容的电荷低于一定程度，电路将被暂时激活以进行充电。该技术保证可以达到可靠地、免维护地运行10年以上。由于转换器的价格不高，加上大幅降低电池和维护的成本，因此这额外的投资非常物超所值。
硬联机系统的解决方案
在过程控制技术中，4-20mA环路已是一个很稳定的技术。该技术在开发的七十年后仍被广泛使用，并将继续在许多应用上发挥重要的功能。4-20mA环路非常适合恶劣的工业环境，因为它们的电流信号不易受到干扰。这些回路根据简单的双线技术，信号是以特定电流的形式进行传输。在所有的应用中，4mA是0%而20mA是100%，这让系统很安全因为系统必须至少有4mA的电流。断线或传感器故障可以立即侦测到，但是如果没有电流的话问题就大了。4-20mA环路适合长距离的信号传输，在这之间的任何一处都可以接收信号。现代的数字技术让4-20mA环路发挥会更大的作用。在最新的4-20mA环路系统中，来自多个传感器的数据通过DSP进行处理和组合，然后沿着单个模拟线路，以调频脉冲的形式发送。这需要两个HART（高速可寻址远程传感器）调制解调器执行，将发射器的数字数据包调制成模拟信号，然后在接收器再次解调数据（如图3所示）。这种方法可以在不安装更多的环路电缆的情况下集成数个传感器，这是为什么在制造业中HART是现在最流行的数据协议的主要原因。因此，HART技术在保持4-20mA环路技术上扮演着举足轻重的角色。
图3：使用DSP和HART调制解调器可以让多个传感器的信号整合并以数字形式通过4-20mA环路。这些器件由创新的电流增压器供电，跟传统的线性稳压器相比，增压器能够从环路中汲取三倍的功率。
驱动传感器的电流界面
在4-20mA环路中，低于测量阈值（<4mA）的电流可为传感器和其他设备供电。虽然这种低电流足以供给一个模拟传感器，但它们无法供给多个传感器，尤其是智能传感器（具有DSP和/或显示器）。如果附近有电源当然不会有问题，但是如果组件跟电源有些距离，布线的成本可能很高。尽管传统的开关稳压器的IC在满载时效率非常高但并不能解决这个问题，因为在低负载时它们也超过了4mA的阈值。即使在睡眠模式时空载电流很低，但输出电压也同时下降到零因此毫无帮助。线性稳压器也不理想，因为虽然0.5mA的空闲电流在4-20mA环路的“绿色范围”内，但它们的效率很低，只能产生开关稳压器能汲取的三分之一的功率。
图4：紧凑型R420-1.8/PL开关稳压器从环路使用3.6A的电流来为传感器和微处理器提供的高达10mA的电流。
翌芯科技代理品牌RECOM新的R420-1.8/PL开关稳压器（图4）是克服这些所有问题的最佳解决方案。由于有创新的拓扑结构，R420-1.8/PL的空闲电流已经降低到0.5mA，而输出端可以用全电压。我们来看一个具体的例子：在输入端使用24VDC和<3.5mA，我们在输出端得到3.3V和10mA，这足以供电给微控制器和HART调制解调器或者多个传感器，且完全不会降低环路的功能或者系统的测量精度。新的开关稳压器的另一个优势是它可以轻松地与电阻组合以实现1.8V至5V之间的输出电压。
结论
物联网其实是传感器的互联网，因此创新的电源解决方案是重要关键。RECOM提供的智能组件能节省电池电力，例如R78-S升压型开关稳压器。这些调节器可以挤出电池最后一点能量，所以应用可以多运行十几年，也没有维修的需求。同时，由于数字化的关系，测试和检验技术（如4-20mA环路）越来越受欢迎。开关稳压器不断在进步，例如RECOMR420提供的功率比传统线性稳压器多出三倍，而这些创新的开关稳压器可以确保过去为我们服务多年的技术在未来持续下去。
