IoT 和 IIoT 電源的挑選與使用指南

雖然物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 的專用裝置五花八門，但共同點是，這些裝置都需要某些主電源來驅動資料的輸入、處理及通訊。然而，IoT 裝置的功能和環境各有不同，因此主電源的種類也很多，包括電源線路、電池及太陽能電池等。

此外，由於 IoT 裝置的功能和工作模式眾多 (例如「全時啟動」模式用於偵聽，「待機」模式用於快速回應輸入刺激)，因而需要謹慎選擇內部電源供應器。目標是保持較小的實體尺寸，並將效率和應用的功率密度最大化，且無需犧牲效能或進行廣泛的熱管理 (否則會增加重量、尺寸及成本)。還有一個要考量的因素就是使用者的安全，這點不能有任何的妥協。

本文將探討 IoT 裝置中使用的各種電源供應器，並介紹 RECOM Power 針對這些需求所設計的一些產品。

線路型電源供應器

與可攜式裝置相比，使用線路電源的 IoT 或 IIoT 裝置受到較低的功率限制。線路電源通常會提供固定的輸入電壓及充足的電流位準。而其他電源 (例如太陽能電池) 則可能在電壓和電流位準方面有較大的差異，需視照度和採用的穩壓程度而定。IoT 或 IIoT 裝置的輸入功率需求必須有所彈性，才能應對可能的輸入功率差異。

電源供應器製造商 RECOM Power 設計一系列體積超小且完全密封的 5 W 電源供應器，即 RAC05-K 系列 AC/DC 模組，可在 IoT 或 IIoT 應用中滿足輸入電壓的彈性需求。

這些電源供應器模組可在 85 至 264 VAC (47 至 63 Hz) 或 120 至 370 VDC 的輸入電壓範圍內工作。此線路輸入電壓範圍幾乎隨處通用，因此這些模組適合用於全球的居家或工業環境。而這些電源供應器的工作溫度範圍更進一步證明此特點：RAC05-K 系列可在 -25°C 至 +50°C 的溫度範圍內提供額定的全功率，而在 +50°C 至 +70°C 的範圍內提供降額的輸出功率。

此系列的各別機型有其固定的輸出電壓，包括 3.3、5、12、15 和 24 V。RAC05-05SK 的輸出電壓為 5 V，覆蓋區為 1 x 1” (25.4 x 25.4 mm)，高度為 0.65” (16.5 mm)。此電源模組的輸出額定值為 5 W，功率密度極高，達到 7.7 W/in3 (圖 1)。

圖 1：RECOM 的 RAC05-05SK 電源模組採用 1" x 1" x 0.65" 封裝，功率為 5 W，體積功率密度為 7.7 W/in3。(圖片來源：RECOM Power)

這些電源供應器的效率超過 80%，空載功耗僅有 75 mW，因此適用於「全時啟動型」IoT/IIoT 裝置。也因具有高效率和低內部能量損耗，因此有助於裝置保持低溫。

從安全的角度來看，RAC05-K 系列整合了熔斷、過電壓及短路保護。此系列符合 IEC60950-1 和 UL62368-1 安全標準，也符合 EN55032 B 類 EMC 限制，並且未使用任何外部組件。

這些電源供應器注重安全、小巧，且有寬廣的輸入電壓範圍和工作溫度範圍，因此非常適合許多由線路供電的 IoT 或 IIoT 應用。

工業用強固型電源

由於所處的環境條件嚴苛，因此工業環境通常需要使用特殊的電源供應器。RECOM 的 R1SX 系列 DC/DC 轉換器就是其中一個範例，工作溫度範圍為 -40° 至 +100°C 且無需降額。此溫度範圍能安全應付大部分的工業狀況。以此系列的 R1SX-3.305-R 為例，這款 1 W 升壓 DC/DC 轉換器可接受 3.3 V 輸入並將其升壓為 5 V 輸出。

此外，這些轉換器為 DC 隔離式，可承受 1 kV 電壓 1 秒，亦可選配 3 kV/1 秒額定值。在接地迴路和電氣雜訊司空見慣的工業領域中，隔離至關重要。將輸入與輸出隔離有助於中斷這些接地迴路，並將雜訊傳播降到最低。R1SX-3.3-5 DC/DC 轉換器可用於支援具有位準移位的隔離式數據介面 (圖 2)。

圖 2：在數據介面中保持隔離不僅需要數位隔離器，還需要隔離式電源供應器。此電路在隔離器的一次側使用 3.3 V，在二次側使用 5V，來達到邏輯位準移位，同時保持電流隔離。(圖片來源：RECOM Power)

可攜式裝置用的 DC/DC 電源供應器

以電池供電的可攜式 IoT 或 IIoT 裝置，需要較小的尺寸和較低的功率損耗。目標是盡可能延長電池續航力，以縮短意外停機時間，並減少替大量裝置更換電池所需的工作量。此類設計的主要特點包括，能讓電源供應器在不需要使用時進入靜態或待機狀態，並具有高效率和寬廣的輸入電壓範圍，可在電池壽命將盡時因應電池電壓下降的問題。

RECOM 的 R-78S 系列 DC/DC 轉換器就是規格上符合可攜式 IoT 需求的範例之一。此系列的 R-78S3.3-0.1 能以 1.5 V AA 電池產生 3.3 V 電壓。另外，此系列還含有輸出電壓位準為 1.8 V、3.3 V 和 3.6 V 的裝置，能以單芯電池驅動多種微處理器和控制器。所有裝置都能在 3.15 V 至 0.65 V 的輸入電壓範圍內工作，因此能用盡電池最後一點電量。這款電源轉換器的典型效率高達 93%，可將功率損耗降到最低。此產品在待機模式下僅消耗 7 µA 的電流。此電源轉換器兼具高效率、待機模式和寬輸入電壓範圍，非常適合用於可攜式無線 IoT 裝置 (圖 3)。

圖 3：此範例顯示在無線應用中使用關斷模式來延長電池續航力。一顆 2100 mAh 的 AA 電池，可供應 7 µA 電流長達幾十年。(圖片來源：RECOM Power，經 Art Pini 修改)

R-78S 系列還具有寬廣的工作溫度範圍 (-40° 至 +100°C)，這對可能在極端天氣狀況下留在車輛中的可攜式裝置很有用處。

圖 3 的範例顯示待機或睡眠模式的使用情況，系統在此模式下僅耗用 20 µW。處於此模式時，電容電壓 (如藍色走線所示) 會隨著時間減少，從 3.3 V 完全充電值降至電阻 R1 和 R2 所設定的臨界值為止。此時，微處理器訊號會發出訊號，喚醒轉換器。當轉換器在主動模式下工作時，系統僅消耗 200 µA 電流，而電容會在此期間充電，等待下一個週期開始。功耗將與主動／睡眠模式工作週期成比例。

RECOM 的 R-78S 轉換器具有低輸入電壓能力，這對 IoT 或 IIoT 能源採集應用來說，是個很出色的功能。例如，此產品可用來提高太陽能電池或熱電發電機 (TEG) 等低電壓來源的輸出，以便對 3.3 V 充電式電池充電 (圖 4)。

圖 4：此圖顯示 R-78S3.6-0.1 當作升壓轉換器使用，即從太陽能電池或 TEG 取得低電壓輸入，然後將其升壓至 3.6 V，再透過二極體對 3.3 V 充電式電池充電。輸入電壓最低只要 0.65 V 就能充電。(圖片來源：RECOM Power)

若想透過二極體對電池充電，則需要較高的輸出電壓 (3.6 V vs. 3.3 V)。二極體可防止充滿電的電池驅動轉換器的輸出。另外，這些轉換器還具有短路和過熱保護，因此能持續可靠運作。

使用 R-78S3.3-0.1 的公版設計電路和評估板

公版設計有助於確定元件是否符合設計需求。以 R-78S 系列 DC/DC 轉換器為例，就提供多種實用的工具可評估此裝置 (圖 5)。

圖 5：從 RECOM R-78S 系列 DC/DC 轉換器的公版設計可看出，此裝置的尺寸比標準 AA 電池還小。此公版設計電路板可整合在原型中。(圖片來源：RECOM Power，經 Art Pini 修改)

RECOM 的 R-REF02-78S 公版設計是組裝好的 PC 板，具有簡易的 0.100” 排針座和安裝孔，可輕易整合在評估原型中。轉換器的致能引腳已引出到排針座，可用於評估轉換器的睡眠模式。

若要進行更嚴格的裝置測試，RECOM 還提供評估板 R-78S3.3-0.1-EVM-1，比起上述公版設計，有更多測試節點已引出到排針座 (圖 6)。

圖 6：RECOM 的 R-78SS.3-0.1-EVM-1 評估板線路圖顯示更完整的可用測試點選擇，以及可用於與裝置通訊的 USB 連接埠。(圖片來源：RECOM Power)

此評估板含有公版設計的所有元素，但增加了對轉換器輸入和輸出連接的存取。額外的跳線和排針座可用於執行各種量測和確定裝置參數。隨附的 USB 埠則可用來供電給板外展示電路。

結論

有多種方法可供電給 IoT 和 IIoT 應用，包括線路電源、電池或能源採集電源。這些應用會在某種程度上決定電源需求。設計人員需要功能多元的電源裝置，以確保設計能夠應付多種工作情境。本文探討的 RECOM 電源轉換器，具有輸入範圍寬、效率高、尺寸小以及靜態待機模式等特點，已成為 IoT 和 IIoT 產品的主要能源選擇。