传感器在 “物联网”中的生命故事

作者/Bianca Aichinger RECOM Power GmbH产品营销经理，Axel Stangl 儒卓力电源产品销售经理

　　在物联网 (IoT)中需要大量的传感器来确保各项操作顺利运行，包括测量和记录温度、亮度、移动以及许多其它参数，并且传送数据至智能控制设备。不过，传感器也需要电力。

　　虽然传感器所需要的功率不太多，但若没有电力便无法工作。因此，要确保电池供电传感器保持运行多年而无需维护，便成为了一个难题。如何能够显著延长电池的使用寿命呢?如何能够从4至20 mA回路提取三倍电流呢?

　　随着工业4.0的到来，网络物理系统、物联网(IoT)和云计算进入了现代化工厂中。网络物理系统在此作为集成式通信网络运作，进行决策并采取行动，同时与其它系统以及人类进行实时沟通。技术快速进步的一个主要原因是所有类型传感器的价格下降。仅仅在十年之前，传感器技术还仅用于高度专业化应用，然而，今天的传感器早已成为了大量使用的普及产品。

　　这一发展使得网络中可以集成越来越多的设备，从而结合、处理和交换更大量的数据。然而，所有这些传感器都有一个共通点，就是必须获得电流，不论是中央或近端电源还是电池。

　1 3 V纽扣电池的神话

　　许多IoT和工业 4.0应用使用3 V纽扣电池运作，这不仅便宜，还非常可靠。缺点在于这些电池必需频密更换。一个完全充电的CR2032纽扣电池提供大约3.2 V电压。仅仅运作几个小时之后，电压便会降低至3 V以下。这可能不足以支持某些无线模块，比如WLAN、蓝牙，以及LoRaWAN，传输可能变得不可靠，或者信令范围可能突然缩减。

　　2使用开关稳压器来延长电池的使用寿命

　　来自RECOM的R-78S升压开关稳压器(图1)是专为由电池供电的IoT应用而开发的。这些易于安装的即插即用模块可从低至0.65 VDC 至 3.15 VDC的输入电压提供稳定的3.3 V输出电压，从电池单元中挤出最后一点功率。R-78S确保用户的微处理器、WLAN/蓝牙模块，以及IoT系统能够通过单一1.5 V电池或可充电电池来运行，而这些电池具有远远超过传统纽扣电池的使用寿命。

　　图1 R-78S升压开关稳压器(来源：Recom)

　　图2所示为R-78S在无线模块中的典型应用，这个电路仅会在短时间内运作以发送数据，在运作期间，整个电路消耗大约600 μW电能。在不发送数据时，电路处于睡眠模式。在睡眠时，R-78S由一个缓冲电容器供电，仅仅消耗7 μA电流。如果电容器电荷降低至某个限度以下，电路将被短暂激活并进行充电。这项技术可确保可靠运行10年或以上而无需维护。由于转换器价格便宜，而且电池和维护成本降低了很多，使得这些额外的投资很快就会收回成本。

　　图2 通过在电路中集成一个缓冲电容器，R-78S可以设置为睡眠模式(来源：Recom)

　　3用于硬连线系统的解决方案

　　4至20 mA回路已经成为了无可争议的处理和控制技术标准，尽管面市已有70多年，这项技术仍会继续发挥重要的作用。这个系统适用于严苛的工业环境，因为电流信号不受普通工业干扰的影响。

　　这个系统基于相对简单的两线技术，信号作为外加电流传输。在这种情况下，4 mA 代表 0 %，而20 mA代表 100 %，使得这个系统具有固有的安全性，因为总是需要4 mA电流。

　　破损的电线或有故障的传感器不再有电流流过，因而可以立即检测到。而且，长电缆不会带来问题，信号也可以在回路中的任意一个点读取。借助于先进的数字技术，这个概念在未来仍然可以适用。在现代化的4至20 mA回路版本中，来自数个传感器的数据通过DSP进行处理，并且经由单一模拟电缆，作为频率调制的脉冲群进行发送。这可以通过两个HART(高速可寻址远程传感器)调制解调器来实现，它将数字数据包叠加在发射器侧的模拟信号上，并且在接收器端适当解耦(图3)。这样可以集成更多的传感器而无需路由额外的回路电缆，也是HART技术现在成为了处理行业使用最多的数据协议的主要原因之一。它是使得4至20 mA在未来仍然可以适用的重要因素。

　　低于测量范围的电流(<4 mA)可以用于电能生成，以期为传感器等供电。

　　图 3 使用一个 DSP和HART调制解调器(来源：Recom)

　　4为传感器供电的电流接口

　　然而，虽然生成的电能对于一个模拟传感器是充足的，但不足以满足多个甚或智能传感器 (带有DSP和/或显示器)——如果现场有合适的电源，就没有问题。如果所供电的组件远离控制台，通常成本会相应地增加。

　　这就是传统开关稳压器IC不适用于这项任务的原因所在，它们在满负荷下的高效率在超出4 mA阈值的较低负荷下就会下降。

　　睡眠模式下的低静态电流也不能补偿这些消耗，因为它完全关闭了主输出电压。线性稳压器也不理想。尽管它们拥有非常理想的约为0.5 mA的低静态电流，但与开关稳压器相比，低效率将可用功率减少至大约三分之一。

　　在这方面，RECOM新开发的开关稳压器R420-1.8/PL提供了聪明的解决方案。通过创新拓扑，它可以将闲置电流降低至0.5mA左右，同时仍然在输出端保持额定电压。例如：在输入端为24 VDC 和 <3.5 mA，在输出端提供3.3 V和10 mA，这样便能够为传感器、微控制器和HART调制解调器供电，而不会影响回路功能或测量精度。

　　新开关稳压器的另一项优势是可以编程，只需使用电阻器进行简单的连线，便能够用于1.8 V 至5 V的任意输出电压。

　　5结论

　　物联网中的许多传感器需要创新的电源解决方案。

　　RECOM提供各式各样智能解决方案，比如帮助节省电池功率的升压开关稳压器R-78S。此外，它从电池当中挤出最后的电能，因此，应用设备可以运行超过10年而无需维护。此外，久经考验的4至20 mA回路等技术仍然非常适合在未来使用，这要感谢数字化技术。创新的开关稳压器，比如RECOM的R420产品，可以在输出端提供三倍的功率，帮助已经成熟的系统在未来继续使用，以应对日后的挑战。