如何選擇應用於工業物聯網的電源轉換器

因應大數據時代的來臨，有越來越多工廠利用智慧電子設備以全新方式分析所有現場數據資料並即時監控來實現工廠智能化的目的。智慧電子設備種類繁多，因此如何評估適合的電源轉換器於工業物聯網應用甚為重要。

本文對於電池供電的智慧電子設備，該如何挑選電源轉換器並且提供計算工作電流與電池使用壽命關係式，讓使用者可以簡易評估多久才需更換電池，以維持系統效能穩定。

 

1. 緒論

全球已進入一個工業物聯網(Industrial Internet of Things, Industrial IoT或IIoT)時代，在智慧工廠內藉由網路通訊連結生產線上的各式設備，並分析大量資料能力、自動化、互聯程度更高，有助於提升工廠生產效率。工業物聯網覆蓋多個應用領域，包括了工業機器、醫療設備、交通、人工智慧、娛樂。

透過互聯網串連結點的部分智慧設備礙於設置環境或空間大小的限制，沒辦法透過外接電源來實現自我供電所以裝置會依賴外接電池來維持運作。常見的解決主流方式採用鋰電池或是鎳鎘電池供電，但受限於智慧設備體積，不適合內建多顆電池，以至於造成智慧設備需要更換電池。

本文重點在於敘述如何提高智慧設備的工作時間，首先需關心每個設備的靜態功率消耗與待機功率消耗為何；其次是評估電流與電池使用壽命關係，讓使用者可以計算出該電池能使用多久時間來對系統主控平台做出電量示警。

 

2. 挑選轉換器於電池供電

以電池供電的電源轉換器，需要低功率消耗以及小封裝尺寸。設計目標是延長電池使用壽命，以避免使用者太頻繁更換電池，故電源轉換器不論正常模式或待機模式時，轉換器消耗的電流越小，才能維持低功率消耗以及更長的待機時間。

當轉換器輸出未有負載之下，使用三用電錶串接電池輸入端來量測電流，使用者依照不同應用可以切換工作模式，藉由Ctrl腳位開路和短路控制轉換器於操作模式與待機模式，分別得到靜態電流與待機電流。換句話說，智慧設備未被喚醒是因為轉換器藉由Ctrl腳位短路接地才切換到待機模式，此模式的工作電流大都數十納安培遠小於靜態電流，如此一來可以降低系統電流。如下圖2所示，其中sw為切換控制腳位的開關。

電池供電的智慧設備種類眾多，各有不同的特性跟應用限制，但相同的是處於操作模式的時間非常短，大部分時間都處於休眠模式以盡量降低功率消耗。

另一方面，工業物聯網對於微型化設備需求日與劇增，因此智慧設備的體積盡可能輕巧，但是又同時需要多種功能的組件，以放置於小型封裝內，這兩項將成為未來設計挑戰。

以上需求來說，目前常見的最佳解決方案是使用非隔離式電源轉換器，採用貼片型封裝來實現。非隔離式電源轉換器兼具高轉換效率、低待機電流和寬輸入電壓範圍，在單純單電源獨立的應用場合很適合可攜式智慧裝置應用。

貼片型封裝的散熱效果是一個重要問題，設計時需縮短印刷電路板上的銅箔走線長度，走線越長造成阻抗增加與待機電流變大，故縮短大電流銅箔走線長度可以有效地減少轉換器運轉時產生多餘的熱能，這些熱能若沒辦法全部藉由傳導、對流、輻射發散出去，則轉換器模組內部累積過多熱能。因此，貼片型封裝轉換器必須使用高轉換效率的轉換器並且不能長時間運作於重負載的狀態，否則內部散熱困難導致機殼溫度上升至無法控制。

對於貼片型封裝的散熱路徑主要是轉換器表面輻射散熱到大氣，如圖3之虛線箭頭，以及轉換器腳位傳導散熱到印刷電路板的銅箔，如圖3之實線箭頭。

轉換器內部的發熱源的散熱效果低，再加上貼片型封裝表面也很小，故藉由轉換器表面輻射的散熱效果非常有限。相較而言，轉換器內部發熱源大都從各個接腳傳導熱能到印刷電路板。綜觀以上說明，轉換器使用表面陣列黏著技術可增強傳導散熱到外部環境，此技術常用在空間受限的應用，例如電池供電的工業物聯網的裝置。

 

3. 電池使用壽命推估

使用者常常詢問裝上電子產品的新電池多久需要更換、壽命有多長?而總是擔心新電池不持久，或是過於頻繁更換電池的煩惱。因此，事先評估電池續航力可以提前知道更換電池頻率。電池續航力是以電池容量和負載消耗的平均電流，來預估電池的續航力，其公式如下:

其中T為電池使用壽命，單位小時；N為電池數量；C為電池容量，單位毫安小時；A為平均消耗電流，單位毫安培；L為自然消耗率約0.9。

第一步先選擇常見的電池種類，日常生活中有相當多的電子產品選擇18650鋰電池作為動力來源，此廣泛運用在日常家電與電動車。單顆18650鋰電池標稱電壓為3.7V，常見容量為1200~3300mAh。

各個電子裝置需分別標示正常運作、休眠、待機模式下的電流消耗情況，使用者需牢記這些值來做為評估電池續航力的標準。第二步是推估智慧設備的電流，將總消耗電流粗概地分成工作電流(I_o)加上待機電流(I_s)，如下公式:

舉例來說，使用一個鋰電池186502，該電壓為3.7V與電池容量3300mAh，平均一天內僅正常工作一小時，其轉換器工作電流為8mA；剩餘時間都在待機模式，其轉換器待機電流為50nA，此時電池使用壽命計算如下:

由上式結果得知，電池約可使用8908小時，也就是該產品在不更換電池的情況下可以維持長達約一年的正常運作，但受到非理想因素影響，實際電池供電時數會比計算值還會更短，因此使用者需多推估電池使用時數。

許多非理想因素會減少電池使用壽命，其中之一就是溫度。極端的溫度會對電池容量造成影響，例如低溫環境會使得鋰電池容量急遽衰減；高溫環境會加速電池內部化學材料的惡化，進而電池膨脹的潛在風險。所以環境溫度確實對電池壽命造成影響，必須適時控制溫度，才能發揮電池運作最大效能。

 

4. 結論

在許多電池應用中，系統總功率消耗量對工業物聯網產品來說極為重要。本篇提到優先選擇低電流與小封裝尺寸的電源轉換器才能滿足各種工業物聯網應用的不同需求，再者透過電池電量壽命公式計算轉換器該設計多少電流才能運作於想要的使用期限。

 

 

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