AIoT 电源
2023-11-10
AIoT 即人工智能 (AI) 与物联网 (IoT) 的结合，是电子行业非常具有前景的新技术之一。据某 IC 制造商预测，未来十年内，该技术将成为微控制器市场中最大的细分市场 。[1]
此时就需要 AI 发挥作用。AIoT 的目标很简单，就是让大数据物联网系统变得易于管理。智能的自组织系统可形成本地处理循环，其中，无需高层级干预即可收集和分析来自多台传感器的数据，并根据这些数据采取行动（图 1）。
数据的收集和传输由物联网完成，而对数据的分析或“洞察”则由机器学习或 AI 系统完成。机器学习或 AI 系统可以独立进行模式识别，做出预测并采取适当的行动。
AIoT 具有诸多优势，如提高可扩展性和减少数据通信量（可以添加更多的传感器而不会使系统超负荷）、通过“边缘计算”实现实时模式识别（繁重的“大量数字运算”工作在传感器网络的“边缘”本地完成，只有结果和系统概览数据集需要通过网关进行传输）、缩短反应时间（几分之一秒而不是几秒）和大大提高容错性（机器学习可以识别哪些数据错误或丢失，并使用物联网本身的故障检测协议来绕过有问题的节点）等，最重要的一点是，可以减少人为错误。
这些优势将推动许多“智慧”系统全面创新，从持续监测和分析实时交通流数据来识别事故、让应急车辆优先通行并优化公共交通的智慧城市，可以优化电网平衡、负荷分担以及将可再生能源和 储能系统集成到系统中的智慧电网，到使用可穿戴设备监测和预测医疗紧急情况的智慧医疗，再到实现有效的及时供应链管理、优化的生产线和基于状态的维护等的智慧工业等等，都会实现创新。
与所有复杂的交互式大规模系统相同，操作可靠性变得至关重要。机器学习分析和本身具有容错能力的物联网通信网络对 AIoT 技术至关重要，但电子设备的可靠供电也不容忽视。
有人认为，物联网传感器和执行器可以通过长寿命电池或 能量收集系统供电。他们认为，可以从太阳能电池、热电发电机 TEG 或振动传感器中获取充足的能量来为超级电容器充电或直接为物联网应答器供电。然而，根据多次设计和研究能量收集项目的经验，我认为这种想法不切实际。环境中并不存在足够可靠的能量供人们收集，来为大多数物联网传感器和执行器供电。至于使用电池，同样行不通。保守假设，如果有 100 万台物联网传感器，使用寿命为 10 年的电池时，每天需要更换 275 个电池，换句话说，大约每两分钟就需要更换一次电池才能保证正常工作。
AC/DC 电源单元不仅是传感器、执行器、处理器和网关的可靠电源，添加数字通信接口后，它还将成为整个 AIoT 系统的关键组件。幸运的是，目前已经存在一种成功且经过验证的数字电源通信和控制系统架构，即电源管理总线 (PMBus)。PMBus 是应用广泛的 I²C (互联集成电路) 协议的扩展，后者主要用于数字 IC 之间的板载通信。与I²C类似，PM-bus 也是 2 线制串行接口，只需传输数据 (SDA) 和时钟 (SCL) 信号，因此成本较低且易于实现，这是实现大规模系统的一个重要因素。同时，该协议还具有一些附加命令，专门设计用于电源监测和控制，以及执行 PEC（数据包错误检查）以确认数据传输未被损坏。
PMBus 协议非常适用于 AIoT 应用，原因在于，PMBus 不仅可以远程开关数字电源或将其置于待机状态以实现节能，还提供附加命令集来远程调节输出电压、设置电流和功耗限值、监测交流输入线路和电源温度，以及查询内部存储器来获取当前和之前的错误代码和库存信息。如与机器学习算法相结合，支持 PMBus 的电源在整个 AIoT 系统中将发挥重要作用，可提供有用的监测和报警数据（图 2）。
图 2：RACM1200-V 电源监测信号和时序
PMBus 协议有许多非常强大的功能，其中之一是具有快速配置命令。举例来说，在电源从恒压模式切换到恒流或恒功耗模式之前的负载限值可以通过外部命令设置或强制更改。例如，如果机器学习 AI 算法预测即将出现负载峰值，可以对电源进行预先设置，以便更好地处理临时过载，而无需将其关闭。通常，智能风扇功能是指电源本身能够控制风扇转速，在负载或温度较低时可以将风扇关闭，从而节省能源、降低噪音以及延长风扇的使用寿命，在负载增加时也可以逐渐提高风扇转速。
如果 AI 识别出某种负载模式，以电池充电站为例，如果定期使用且在两次满负载充电之间只间隔很短的时间，AI 会在不工作时段关闭风扇，以保持较高的温度并减少电源中的热循环。相较于因反复升温和降温而引起的连续热循环，稳定保持在较高工作温度时，对电源中的电子组件产生的应力通常较小。
如前文所述，PMBus 由 I²C 总线扩展而来，这就引入了一个重大缺陷。控制器只会将信号线拉低，以便电源可以选择将时钟线或数据线拉低来获得总线的控制权，从而将信息发送回控制器。这意味着，在无任何单元均处于活动状态时，PMBus 需要依靠上拉电阻来将串行信号线拉高（图 3）。虽然 PMBus 协议支持在一条控制线上有多达 127 个独立地址，但如果将这么多的设备连接到同一条总线上，总线的组合电容会减慢信号的上升时间，导致其无效。
图 3：PMBus 信号。每条线都只能被拉低，从而需要依靠上拉电阻将信号线上拉回至 VDD。随着总线电容增加，信号上升时间会延长。
如有更多支持 PMBus 的电源要共用一条总线，则需要将这些电源分组，比如将 16 个智能电源分为一组，它们通过低成本的 PMBus 中继器 IC 进行通信。这些缓冲器 IC 具有约 6 pF 的极低输入电容，因此有助于充分利用 PMBus 的整个地址空间而不会导致总线过载，即使电缆长度较长也是如此。它们可以由目标电源的一个“始终有效”输出供电，该输出属于低功耗 5V 输出，即使在市电电源级断电时也能保持有效（图 4）。该“始终有效”的输出还可以提供充足的电流来为其他设备供电，例如，为长距离 (LoRa) 收发器电路供电，从而在数千米范围内实现远程控制，即使在建筑密集的市中心区域或在嘈杂的工业工厂中也能实现。
图 4：PMBus 中继器 IC 由“始终有效”的 5V 辅助输出供电。
数据的收集和传输由物联网完成，而对数据的分析或“洞察”则由机器学习或 AI 系统完成。机器学习或 AI 系统可以独立进行模式识别，做出预测并采取适当的行动。
AIoT 具有诸多优势，如提高可扩展性和减少数据通信量（可以添加更多的传感器而不会使系统超负荷）、通过“边缘计算”实现实时模式识别（繁重的“大量数字运算”工作在传感器网络的“边缘”本地完成，只有结果和系统概览数据集需要通过网关进行传输）、缩短反应时间（几分之一秒而不是几秒）和大大提高容错性（机器学习可以识别哪些数据错误或丢失，并使用物联网本身的故障检测协议来绕过有问题的节点）等，最重要的一点是，可以减少人为错误。
这些优势将推动许多“智慧”系统全面创新，从持续监测和分析实时交通流数据来识别事故、让应急车辆优先通行并优化公共交通的智慧城市，可以优化电网平衡、负荷分担以及将可再生能源和 储能系统集成到系统中的智慧电网，到使用可穿戴设备监测和预测医疗紧急情况的智慧医疗，再到实现有效的及时供应链管理、优化的生产线和基于状态的维护等的智慧工业等等，都会实现创新。
与所有复杂的交互式大规模系统相同，操作可靠性变得至关重要。机器学习分析和本身具有容错能力的物联网通信网络对 AIoT 技术至关重要，但电子设备的可靠供电也不容忽视。
有人认为，物联网传感器和执行器可以通过长寿命电池或 能量收集系统供电。他们认为，可以从太阳能电池、热电发电机 TEG 或振动传感器中获取充足的能量来为超级电容器充电或直接为物联网应答器供电。然而，根据多次设计和研究能量收集项目的经验，我认为这种想法不切实际。环境中并不存在足够可靠的能量供人们收集，来为大多数物联网传感器和执行器供电。至于使用电池，同样行不通。保守假设，如果有 100 万台物联网传感器，使用寿命为 10 年的电池时，每天需要更换 275 个电池，换句话说，大约每两分钟就需要更换一次电池才能保证正常工作。
AC/DC 电源单元不仅是传感器、执行器、处理器和网关的可靠电源，添加数字通信接口后，它还将成为整个 AIoT 系统的关键组件。幸运的是，目前已经存在一种成功且经过验证的数字电源通信和控制系统架构，即电源管理总线 (PMBus)。PMBus 是应用广泛的 I²C (互联集成电路) 协议的扩展，后者主要用于数字 IC 之间的板载通信。与I²C类似，PM-bus 也是 2 线制串行接口，只需传输数据 (SDA) 和时钟 (SCL) 信号，因此成本较低且易于实现，这是实现大规模系统的一个重要因素。同时，该协议还具有一些附加命令，专门设计用于电源监测和控制，以及执行 PEC（数据包错误检查）以确认数据传输未被损坏。
PMBus 协议非常适用于 AIoT 应用，原因在于，PMBus 不仅可以远程开关数字电源或将其置于待机状态以实现节能，还提供附加命令集来远程调节输出电压、设置电流和功耗限值、监测交流输入线路和电源温度，以及查询内部存储器来获取当前和之前的错误代码和库存信息。如与机器学习算法相结合，支持 PMBus 的电源在整个 AIoT 系统中将发挥重要作用，可提供有用的监测和报警数据（图 2）。
图 2：RACM1200-V 电源监测信号和时序
PMBus 协议有许多非常强大的功能，其中之一是具有快速配置命令。举例来说，在电源从恒压模式切换到恒流或恒功耗模式之前的负载限值可以通过外部命令设置或强制更改。例如，如果机器学习 AI 算法预测即将出现负载峰值，可以对电源进行预先设置，以便更好地处理临时过载，而无需将其关闭。通常，智能风扇功能是指电源本身能够控制风扇转速，在负载或温度较低时可以将风扇关闭，从而节省能源、降低噪音以及延长风扇的使用寿命，在负载增加时也可以逐渐提高风扇转速。
如果 AI 识别出某种负载模式，以电池充电站为例，如果定期使用且在两次满负载充电之间只间隔很短的时间，AI 会在不工作时段关闭风扇，以保持较高的温度并减少电源中的热循环。相较于因反复升温和降温而引起的连续热循环，稳定保持在较高工作温度时，对电源中的电子组件产生的应力通常较小。
如前文所述，PMBus 由 I²C 总线扩展而来，这就引入了一个重大缺陷。控制器只会将信号线拉低，以便电源可以选择将时钟线或数据线拉低来获得总线的控制权，从而将信息发送回控制器。这意味着，在无任何单元均处于活动状态时，PMBus 需要依靠上拉电阻来将串行信号线拉高（图 3）。虽然 PMBus 协议支持在一条控制线上有多达 127 个独立地址，但如果将这么多的设备连接到同一条总线上，总线的组合电容会减慢信号的上升时间，导致其无效。
图 3：PMBus 信号。每条线都只能被拉低，从而需要依靠上拉电阻将信号线上拉回至 VDD。随着总线电容增加，信号上升时间会延长。
如有更多支持 PMBus 的电源要共用一条总线，则需要将这些电源分组，比如将 16 个智能电源分为一组，它们通过低成本的 PMBus 中继器 IC 进行通信。这些缓冲器 IC 具有约 6 pF 的极低输入电容，因此有助于充分利用 PMBus 的整个地址空间而不会导致总线过载，即使电缆长度较长也是如此。它们可以由目标电源的一个“始终有效”输出供电，该输出属于低功耗 5V 输出，即使在市电电源级断电时也能保持有效（图 4）。该“始终有效”的输出还可以提供充足的电流来为其他设备供电，例如，为长距离 (LoRa) 收发器电路供电，从而在数千米范围内实现远程控制，即使在建筑密集的市中心区域或在嘈杂的工业工厂中也能实现。
图 4：PMBus 中继器 IC 由“始终有效”的 5V 辅助输出供电。
支持总线管理功能的电源具有接口连接器以及市电电源 DC 输出端子（图 5）。数字接口的优势在于可以提供更全面的警报、故障和报警指示信号，以辅助 AI 在决策过程中做出判断。例如，RACM1200-V 内置多色状态 LED 灯，可以指示交流输入故障、直流输出偏低、即将出现过热、因过温关闭、过载和直流故障状态，但数字总线接口还增加了与输出电压范围、负载电流监测和过载状态相关的可编程预警限值，这使得 AI 系统有充足的时间来应对极端温度或故障状态，便于电源进入关闭状态来实现自我保护。
综上所述，AIoT 是一种令人期待的新型支撑技术，在未来十年中，该技术将为我们带来诸多益处，在不知不觉中以各种方式改善我们的生活。作为全球领先的 AC/DC 和 DC/DC 转换器制造商之一，RECOM 已经开始推动这一创新技术的应用，着手设计和制造带有数字 PMBus 接口的电源，以便将其无缝集成到 AIoT 系统中。
[1] Remi El-Ouazzane „A Tsunami of TinyML Devices is Coming”, EE Times, 07.28.2023
综上所述，AIoT 是一种令人期待的新型支撑技术，在未来十年中，该技术将为我们带来诸多益处，在不知不觉中以各种方式改善我们的生活。作为全球领先的 AC/DC 和 DC/DC 转换器制造商之一，RECOM 已经开始推动这一创新技术的应用，着手设计和制造带有数字 PMBus 接口的电源，以便将其无缝集成到 AIoT 系统中。
[1] Remi El-Ouazzane „A Tsunami of TinyML Devices is Coming”, EE Times, 07.28.2023
应用
| 系列 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 1 |
|
RACM1200-V
重点
|
|
|