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老姜更辣:自供电电流回路解决IoT节点电源问题

时间:2018-10-15 作者:Bill Schweber 阅读:
所有物联网节点都有一个共通性:需要电源来运作。这可以透过能量采集或是较长续航力的电池;有一种较旧的、有线的解决方案可以解决这个电源的问题...
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物联网(IoT)连结性是一个热门话题,但除了在互联网方面,它并不是一个新概念;几十年来,工业以及某些商业应用就会将各个种类的传感器以及换能器(transducer)链接到以计算机为基础的数据捕获设备与控制系统,物联网只是扩大了那些终端节点的范围与数量。0REEETC-电子工程专辑

要以物理方法传输信号与数据有许多技术选项,有的方案仅需要最低程度的信号调节(signal conditioning),有的则是更适合需要完全调节与数字化的信号。在众多选项中,包括利用RS-432/485接口的有线链接方案,还有ZigBee、蓝牙、Wi-Fi等等专有无线通信方案。0REEETC-电子工程专辑

所有物联网节点都有一个共通性:需要电源来运作。这可以透过能量采集(如太阳能、振动、RF等等方法),或是较长续航力的电池;使用以低占空比(low duty cycle)、低休眠电流以及恰当电池的系统,很容易可以达到10年的电池寿命。0REEETC-电子工程专辑

其实有一种较旧的、有线的解决方案可以解决这个电源的问题──也就是自供电20mA电流回路(current-loop)界面(如图1)。我们很容易可以假设这个简单、古老的接口已经几乎过时,也不被推荐应用于新设计,但情况并非如此;事实上,IC供货商们仍持续推出采用这种回路的、功能更强大的新产品。0REEETC-电子工程专辑
self_powered_current_loop.png0REEETC-电子工程专辑
图1:自供电电流回路的设计是简单与技术简洁性的范例,也是其优点0REEETC-电子工程专辑
(来源:ZHAW Zurich University of Applied Sciences)
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在今年稍早Maxim针对发表的MAX12900超低功耗、高度整合4~20mA传感器发射器模拟前端(AFE)就是一个例子(图2);该组件包括许多额外功能,但核心功能是可透过双线4~20mA电流回路接收电源并传输数据。其主要限制在于传感器与其调节功能功耗不超过3~4mA,而这种情况可能会需要外接传感器电源或是更多的线路,这会削弱自供电优势。0REEETC-电子工程专辑
MAX12900_block_diagram.png0REEETC-电子工程专辑
图2:MAX12900是一款相对较新的、采用自供电电流回路接口的组件0REEETC-电子工程专辑
(来源:Maxim Integrated)
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为何电流回路接口这种旧技术还被运用于新组件的设计?以下简单介绍其背景,会对理解原因有帮助。0REEETC-电子工程专辑

随着控制系统在1930年代与1950年代从气动式(pneumatic)演变为电气式,最常见的接口就是0~20mA电流回路,也被称为4~20mA回路。其概念相当简单有效:目标信号──无论是来自传感器或是传输至作用换能器──最低信号值为4mA,最高则为20mA。0REEETC-电子工程专辑

虽然这种回路最初是为模拟信号设计,却没有任何控制协议,因此也可以被用于呈现数字信号而非模拟信号,其格式结构(format structure)可以最小化。而在几十年前,随着信号调节电路以及其ADC/DAC大幅降低功耗,以数mA的“免费”电源来让该类电路运作变得实际可行。0REEETC-电子工程专辑

无论能不能自供电,电流回路在工业化应用上都能带来一些显著优势;不同于诸如RS-423/485等电压接口,这种低阻抗回路对EMI相对免疫,这在工业应用环境中是一大优势。此外,该回路具有一种整体性的、不花费成本的方法能让系统知道线路损坏(最常见的故障模式),因为电流会下降至容易识别的0mA。最后,做为一种单回路涵盖每个端点(one-loop-per-endpoint)的互连,它相当容易安装、标记、追踪以及除错。0REEETC-电子工程专辑

而其缺点是,随着工业回路的数量增加,线路成本与安装工作负担也会增加,此外需要提供每个回路一个从几V到大约24VDC的电流源;如果是跨不同位置的多个回路,可能还需要电气隔离以避免接地回路(ground-loop)问题。0REEETC-电子工程专辑

毫无疑问,老牌自供电电流回路仍有它的一席之地;与大多数的工程决策一样,没有简单、唯一的“正确选项”,只有针对不同应用的“最佳解决方案”,而这当然需要经过权衡与妥协。无论如何,在一些较旧的、由来已久的技术仍是好选择时,不要太快奔向那些最新、最厉害的解决方案。0REEETC-电子工程专辑

你在换能器设计上使用过20mA自供电回路吗?你是否尝试使用过更复杂的接口,像是ZigBee、Wi-Fi或是经典的RS-422/485,只为了达到电流回路就可以达到的效果吗?欢迎分享你的看法!0REEETC-电子工程专辑

编译:Judith Cheng0REEETC-电子工程专辑

本文授权编译自EDN,版权所有,谢绝转载0REEETC-电子工程专辑

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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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