物联网和工业物联网电源选择和使用指南

尽管为物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 设计的设备种类繁多，但它们都需要某种主电源才能进行数据输入、处理和通信。但是，物联网设备功能和应用环境的多样性导致产生了各种各样的主电源，从输电线到电池和太阳能电池。

此外，广泛的功能和工作模式（例如用于听取指令的“常开”，以及用于快速响应输入刺激的“待机”）需要仔细选择内部电源。目标是最大程度地提高效率、减小物理尺寸并提高应用的功率密度，同时又不影响性能或不增加热管理需求，后者可能会增加尺寸、重量和成本。另一个考虑因素是用户安全，这一点不容妥协。

本文讨论物联网设备中使用的各类电源，并介绍来自 RECOM Power 的一些产品示例，可专用于满足这些要求。

有线电源

与便携式设备相比，使用有线电源的物联网或工业物联网设备具有更少的功率限制。有线电源通常提供固定输入电压且具有足够电流电平。其他电源（例如太阳能电池）可能会具有较大的电压和电流电平变化，具体取决于太阳照度和所采用的电压调节程度。物联网或工业物联网设备需要具有灵活的输入功率要求，以应对可能的输入功率变化。

电源制造商 RECOM Power 设计了一系列超紧凑、全封闭式 5 瓦电源，即 RAC05-K 系列 AC/DC 模块，用以满足物联网或工业物联网应用对输入电压的灵活性需求。

这些电源模块使用 85 至 264 V 交流（47 至 63 赫兹 [Hz]）或 120 至 370 V 直流输入电压。由于这种线路输入电压范围几乎通用，因此适合在全球的家庭或工业环境中使用。这些电源的工作温度范围进一步证明了这一点：RAC05-K 系列可在 -25°C 至 +50°C 的温度范围内满功率工作，并在 +50°C 至 +70°C 的温度范围内降功率工作。

该系列的各个型号具有固定的输出电压：3.3、5、12、15 或 24 V。5 V 的 RAC05-05SK 在印刷电路板上的基底面为 1 英寸 x 1 英寸（25.4 x 25.4 毫米 [mm]），高度为 0.65 英寸 (16.5 mm)。该电源模块的额定输出功率为 5 瓦，具有相当可观的功率密度，每立方英寸高达 7.7 瓦（图 1）。

图 1：RECOM 的 RAC05-05SK 电源模块采用 1” x 1” x 0.65” 封装，功率为 5 瓦，可产生每立方英寸体积 7.7 瓦的功率密度。（图片来源：RECOM Power）

这些电源的效率超过 80%，空载功耗仅为 75 毫瓦 (mW)。这一组合使它们适用于“常开”物联网/工业物联网设备，高效率和低内部能量损耗有助于保持设备低温状态。

从安全角度来看，RAC05-K 系列包含集成的熔断、过压和短路保护。它们符合 IEC60950-1 和 UL62368-1 安全标准，并且满足 EN55032 B 类 EMC 限制，不包含任何外部组件。

这些电源注重安全，输入电压范围大，尺寸小，还有宽工作温度范围，这些特点组合使其非常适合众多物联网或工业物联网线路供电应用。

工业级电源

由于设备所处的特殊工作环境条件，工业环境通常需要特殊的产品。RECOM 的 R1SX 系列 DC/DC 转换器就是这样一种产品，可在 -40° 至 +100°C 的温度范围无降额工作。此温度范围可安全应对大多数工业条件。来自该系列的一款示例设备是 R1SX-3.305-R，它是 1 瓦升压 DC/DC 转换器，接受 3.3 V 输入，并将其升至 5 V 输出。

这些转换器还提供 1 千伏 (kV)/1 秒的 DC 隔离，并可选 3 kV/1 秒的额定隔离。在接地环路和电气噪声非常普遍的工业环境中，隔离非常重要。输入和输出隔离有助于打破这些接地环路，并最大程度地降低噪声传播。R1SX-3.3-5 DC/DC 转换器可用于支持带电平位移的隔离数据接口（图 2）。

图 2：在数据接口中保持隔离不仅需要数字隔离器，还需要隔离电源。该电路在隔离器的初级侧使用 3.3 V，在二次侧使用 5 V，以实现逻辑电平位移，同时保持电流隔离。（图片来源：RECOM Power）

用于便携式设备的 DC/DC 电源

便携式电池供电的物联网或工业物联网设备要求尺寸小，功率损耗低。目标是尽可能延长电池寿命，以减少意外停机时间和更换大量设备的电池所需的工时。此类设计的主要特征包括：能够在不需要时将电源置于静态或待机状态、高效率，以及宽输入电压范围，以应对电量接近耗尽时电池电压下降。

对于规格符合便携式物联网需求的 DC/DC 转换器，RECOM 的 R-78S 系列就是一个示例。该系列中的一款器件 R-78S3.3-0.1，可利用 1.5 V 的 AA 电池产生 3.3 V 的电压。此外，该系列还包括输出电压电平为 1.8、3.3 和 3.6 V 的器件，适用于通过单芯电池为多种微处理器和控制器供电。所有器件均在从 3.15 V 至 0.65 V 的输入电压范围内工作，从而能够利用电池的最后一毫瓦电量。该款电源转换器的典型效率高达 93%，可最大程度地降低功率损耗。它可以置于待机状态，仅消耗 7 微安 (µA) 电流。这款电源转换器兼具高效率、待机模式和宽输入电压范围，非常适合便携式无线物联网设备（图 3）。

图 3：说明在无线应用中使用关机模式延长电池使用寿命的示例。一个 2100 毫安时 (mAh) 的 AA 电池可以提供 7 µA 的电流长达数十年。（图片来源：RECOM Power，由 Art Pini 修改）

R-78S 系列还具有 -40° 至 +100°C 的宽工作范围，对于极端天气条件下车辆中的便携式设备非常有用。

图 3 中的示例显示了待机或休眠模式的使用，在该模式下，系统功耗仅为 20 微瓦 (µW)。当处于该模式时，电容器电压（如蓝色迹线所示）随时间从完全充电值 3.3 V 降低，直到达到由电阻器 R1 和 R2 设置的阈值，此时微处理器通知转换器唤醒。当转换器在活动模式下工作时，系统仅消耗 200 µA 的电流，在此期间电容器将充电为下一个周期做准备。功耗将与活动/休眠模式占空比成正比。

RECOM 的 R-78S 转换器具有低输入电压能力，是针对物联网或工业物联网能量收集应用的突出特点。例如，它们可用于提高低压电源（例如太阳能电池或热电发电机 [TEG]）的输出，以便为 3.3 V 可充电电池充电（图 4）。

图 4：该示意图显示了 R-78S3.6-0.1 作为升压转换器的应用，它从太阳能电池或 TEG 接受低压输入，并将其升至 3.6 V，以通过二极管为 3.3 V 可充电电池充电。充电可以从低至 0.65 V 的输入电压开始。（图片来源：RECOM Power）

要通过二极管对电池充电，需要更高的输出电压（3.6 V 对 3.3 V）。二极管可防止充满电的电池驱动转换器的输出。这些转换器还具有短路保护和过热保护功能，以确保可靠运行。

使用 R-78S3.3-0.1 的参考设计电路和评估板

参考设计有助于确定元器件是否满足设计需求。对于 R-78S 系列 DC/DC 转换器，这些参考设计提供了用于评估设备的现成工具（图 5）。

图 5：RECOM 的 R-78S 系列 DC/DC 转换器的参考设计显示，与标准 AA 电池相比，该器件的尺寸更小。该参考设计印刷电路板可以集成到原型中。（图片来源：RECOM Power，由 Art Pini 修改）

RECOM 的 R-REF02-78S 参考设计可作为组装好的印刷电路板提供，带有简单的 0.100 英寸针座和安装孔，可轻松集成到评估原型中。转换器的使能引脚外接至针座，用于评估转换器的休眠模式。

针对更严格的器件测试，RECOM 还提供了一款评估板 R-78S3.3-0.1-EVM-1，与参考设计相比，其具有更多外接至针座的测试节点（图 6）。

图 6：RECOM 的 R-78SS.3-0.1-EVM-1 评估板原理图显示了更完整的可用测试点选择，以及用于按需与设备通信的 USB 端口。（图片来源：RECOM Power）

该评估板包括参考设计的所有元素，但增加了对转换器输入和输出连接的访问。额外的跳线和针座旨在允许进行各种测量，以及确定设备参数。随附的 USB 端口可用于为板外演示电路供电。

总结

物联网和工业物联网应用的供电方式多种多样，包括线路电源、电池或能量收集。该应用在一定程度上决定了电源的要求。设计人员需要通用的电源装置，以确保设计能够应对各种工作场景。凭借宽输入范围、高效率、小尺寸和静态待机模式，上述 RECOM 电源转换器件成为物联网和工业物联网产品的主要备选电源。