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。如何能够显着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？
作者： RECOM Power GmbH产品营销经理Bianca Aichinger、儒卓力电源产品销售经理Axel Stangl
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。
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。
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。
R-78S升压开关稳压器不仅延长了IoT应用中电池的使用寿命，并且从电池单元中挤出最后一点功率。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。
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，从而节省宝贵的电池功率。来源：Recom。
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。
使用一个 DSP和HART调制解调器，使得数个传感器的信号捆绑在一起，并且经由 4至20 mA回路以数字方式传送。一个创新的电流助推器用于从回路中提取超过先前使用线性稳压器的三倍电流。来源：Recom。
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。
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。
