當(dāng)物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 網(wǎng)絡(luò)使用與居民使用相同的市電電網(wǎng)供電時(shí)，它們會受到功率波動、欠壓的影響，甚至完全失去電力達(dá)幾十秒。無狀態(tài)節(jié)點(diǎn)可以在上電時(shí)恢復(fù)運(yùn)行；但是，必須長期保持狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)會在上電時(shí)重置，這可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障、延遲或性能損失。

備用電池是一種避免重置的方式，但它們的壽命有限，而且在設(shè)備的生命周期內(nèi)可能會變得更昂貴。替代方法是，可以使用超級電容器——額定值為1法拉（F）或更高的極化電解電容器。

本文討論了確保運(yùn)行關(guān)鍵過程的物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備保持供電的重要性。然后，本文通過兩款示例器件展示了如何運(yùn)用超級電容器來提供欠壓和斷電保護(hù)，這兩款器件分別來自AVX Corporation和Illinois Capacitor。

將物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)置于市電電網(wǎng)中的問題

運(yùn)行關(guān)鍵過程的工業(yè)設(shè)施通常會配備備用發(fā)電機(jī)，以備供電公司臨時(shí)停電時(shí)使用。除了長期停電的極端情況外，冗余和多臺發(fā)電機(jī)可確保持續(xù)維持供電。工廠甚至可能有自己的主電網(wǎng)專用電力線，以確保電力的持續(xù)供應(yīng)，這也可能會為電網(wǎng)其余部分的停電提供一定的抵抗力。

許多小型或非關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)使用居民市電電網(wǎng)進(jìn)行供電，而所在區(qū)域并沒有任何昂貴的備用電池系統(tǒng)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，欠壓或瞬時(shí)斷電可能會重置系統(tǒng)、關(guān)閉機(jī)器，并導(dǎo)致數(shù)據(jù)和性能損失。

目前有幾種可選擇的方案可以防止這種數(shù)據(jù)損失。以汽油或天然氣為燃料的備用發(fā)電機(jī)可以長期供電，但材料和安裝成本高昂。此外，備用發(fā)電機(jī)還需要定期維護(hù)和測試。這種增加的成本和人工很快就會使物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不再具有成本效益，以至于無法實(shí)現(xiàn)其初衷。

另一種選擇是備用電池組。這些電池組使用鉛酸電池，是一種短時(shí)間內(nèi)提供備用電源的可靠方式。不過，這些都需要定期檢查和測試。此外，鉛酸電池的生命周期有限，因此需要定期更換，增加了成本和人工。令維護(hù)工作更加復(fù)雜的是，備用電池組中的鉛酸電池有時(shí)會突然出現(xiàn)故障，可能在停電期間啟動后不久就會失效。

備用發(fā)電機(jī)和備用電池組都非常笨重，需要額外的空間。對于緊湊型物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來說，實(shí)現(xiàn)這些解決方案可能不切實(shí)際，甚至無法實(shí)現(xiàn)。

一種常見的選擇是在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上安置小型備用電池。與發(fā)電機(jī)和備用電池組相比，這是一種廉價(jià)的選擇。鋰離子 （Li-Ion） 電池占用的空間很小，需要的維護(hù)也有限。然而，鋰離子電池的循環(huán)時(shí)間有限，通常低至500次充放電循環(huán)，因此需要定期更換。此外，鋰離子電池的工作溫度也非常有限。凍結(jié)溫度會降低鋰離子電池的容量，導(dǎo)致永久性損壞，而高溫會逐漸損壞電池，導(dǎo)致熱擊穿。

作為替代，一種簡單且具有成本效益的方法可在欠壓或短期斷電時(shí)提供瞬時(shí)臨時(shí)電源，即在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中放置超級電容器。

超級電容器的特性和功能

超級電容器是額定值為1F或以上的極化電解電容器。作為電容器，它們可以在幾秒鐘內(nèi)充放電，因此可以發(fā)揮與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的短期充電電池一樣的作用。利用恒流放電，超級電容器端子上的電壓將隨時(shí)間線性下降。

超級電容器的循環(huán)時(shí)間幾乎是無限的，超過一百萬次，從而允許它們不斷地充電和放電，而不會影響容量或壽命。與化學(xué)電池不同，超級電容器的循環(huán)充電對電容器電介質(zhì)或電極的影響極小。超級電容器相對不受高溫和低溫的影響，可以在鋰離子電池?zé)o法承受的極端溫度下安全工作。

超級電容器的充電很簡單，不需要復(fù)雜的電路來維持充電狀態(tài)，因?yàn)殡娙萜鞑粫^量充電。但是，在極化端子上施加反向電壓或?qū)Τ夒娙萜魇┘痈哂陬~定最大值的電壓，都會縮短其壽命。

選擇超級電容器需要進(jìn)行一系列權(quán)衡。當(dāng)然，在同等條件下，容量越大，供電時(shí)間越長。然而，這種容量的增加不僅會帶來成本的增加，而且還會大幅增加尺寸：超級電容器是體積龐大的元器件，在印刷電路板的布局中必須考慮長度和直徑，尤其是在以后必須為更大的超級電容器留出空間的情況。

對于某些應(yīng)用來說，印刷電路板尺寸的增加可能是不可接受的，這限制了超級電容器的容量。此外，較大的超級電容器還可能干擾物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)周圍的氣流，從而阻礙散熱。在設(shè)計(jì)用于欠壓或掉電保護(hù)的超級電容器時(shí)，這些都是重要的考慮因素。

超級電容器放電時(shí)間

公式1可用于計(jì)算超級電容器的估計(jì)放電時(shí)間，從而很好地估算它在斷電時(shí)可驅(qū)動電路的時(shí)長。

公式 1

其中：

tseconds = 超級電容器可為電路提供足夠電力的時(shí)間，以秒為單位

CFarads = 電容，以法拉為單位

Vmax = 初始放電時(shí)電容器兩端的電壓

Vmin = 電容器在無法為電路供電之前可以放電的最小電壓

Imax = 電路的最大（最差情況）電流消耗，以安培為單位

與所有電容器一樣，超級電容器也具有等效串聯(lián)電阻 （ESR）。但是，ESR會因溫度、電容器電壓和電流消耗而異。電容器值超過1法拉時(shí)，ESR小于10毫歐 （mΩ），這使得ESR對放電時(shí)間的影響極小。

為了有效地應(yīng)用于欠壓保護(hù)，工程師需要為給定應(yīng)用選擇一款能夠滿足公式1的超級電容器。開發(fā)人員還應(yīng)在模擬欠壓和斷電條件下測試自己的系統(tǒng)，以觀察使用所選電路板元器件時(shí)的實(shí)際運(yùn)行情況。由于電容器最初可能會充電至高于電路所需工作電壓的電壓，因此建議使用低壓差穩(wěn)壓器 （LDO） 來管理電容器電壓輸出。

簡單的欠壓和掉電保護(hù)

對于僅持續(xù)幾秒的簡單欠壓保護(hù)（電線功率下降的情況），或者持續(xù)不到一分鐘的掉電保護(hù)，較小的超級電容器就可以使小型物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)保持工作。例如，AVX Corporation的SCMR22L105SRBB0 1.0F是一款厚8毫米 （mm），寬22mm的超級電容器（圖1）。該產(chǎn)品適用于惡劣的環(huán)境，工作溫度范圍為-40°C至+65°C，而這些溫度不適合任何鋰離子電池。徑向引線可用于垂直安裝，有助于節(jié)省印刷電路板上的空間。

SCMR22L105SRBB0上的ESR僅為840mΩ，確保放電期間的功耗極低。最大充電電壓為 9V。

使用公式1，可以計(jì)算出對消耗80毫安 （mA） 電流的簡單物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的放電時(shí)間。對于一個(gè)3.3V系統(tǒng)，其中使用提供9V電壓的通用交流適配器將電容器充電至最大電壓，并使用理想的低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器，那么該1.0F電容器在最佳條件下可供電71秒。SCMR22L105SRBB0在額定溫度和電壓范圍內(nèi)的電容容差為±30%，因此在電容為0.70F的最差情況下，估計(jì)可提供80mA的電流50秒。這會因各個(gè)電容器的制造公差而異，因此最好按最差的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在本例中，SCMR22L105SRBB0的最差供電時(shí)間為50秒，足以應(yīng)對欠壓情況下的功率下降。

在布局超級電容器時(shí)，應(yīng)按電源走線那樣布置引線，以最大限度地減少電磁干擾 （EMI）。此外，超級電容器的絕緣套管不應(yīng)與印刷電路板或任何其他元器件接觸。如果套管因極端的焊接溫度或外力受損，超級電容器的金屬殼可能會短路，從而導(dǎo)致電路故障。

針對更高容量的應(yīng)用，Illinois Capacitor推出了DSF407Q3R0 400F超級電容器，額定電壓為3.0V（圖2）。該電容器的直徑為35mm，長度為60mm，尺寸遠(yuǎn)大于前面提到的器件。由于在400F超級電容器上施加反極性可能會損壞元件，因此DSF407Q3R0帶有兩個(gè)非連接鍵控引腳，以防止組裝出錯(cuò)。

雖然在公式1中3V的額定電壓似乎并不令人印象深刻，但400F的額定電容提供了充足的容量。電容容差為±30%，因此最差情況下的額定電容為280F。對于消耗350mA的2.7V系統(tǒng)，根據(jù)公式1，將電容器充電至3.0V額定電壓，在400F下可提供343秒的典型備用電源，在280F的最差情況下可提供240秒。這里是假設(shè)使用了理想LDO的情況，因此必須進(jìn)行在線測試，以了解超級電容器在模擬欠壓和斷電條件下的表現(xiàn)。

400F電容器可能會發(fā)熱，需要與其他元器件保持適當(dāng)距離，這一點(diǎn)很重要。該電容器的頂部有通風(fēng)口，因此上方必須留有足夠的散熱空間。

結(jié)語

超級電容器可用于在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的欠壓和短期斷電期間提供備用電源。與鋰離子電池相比，超級電容器具有明顯的優(yōu)勢，包括幾乎不受限制的充放電循環(huán)、出色的高壓性能，以及高效率和高可靠性。在由交流市電供電的物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中正確使用超級電容器，可以降低維護(hù)和系統(tǒng)成本，同時(shí)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

編輯：jq