智能家電

　　構(gòu)成IoT的另一類東西是家電。很多時(shí)候，正是通過(guò)IoT，我們才能智能控制我們的洗衣機(jī)、冰箱等。傳統(tǒng)上，我們認(rèn)為只需將它們連接到電網(wǎng)上，設(shè)置一些信息，它們就能開(kāi)始工作。在洗衣機(jī)的例子中，當(dāng)周期完成時(shí)它可能會(huì)發(fā)出提示音，但僅此而已。然而，現(xiàn)今的聯(lián)網(wǎng)型家電卻能補(bǔ)考提示音即可給您提供信息。這會(huì)給電源設(shè)計(jì)人員帶來(lái)什么樣的影響呢？

　　這些家電原來(lái)只在有任務(wù)要執(zhí)行時(shí)才開(kāi)啟，現(xiàn)在需要始終保持開(kāi)啟狀態(tài)，或者至少一些功能必須始終保持開(kāi)啟狀態(tài)。為了給這些一直處于開(kāi)啟狀態(tài)的功能有效供電。這種新要求增加了電源設(shè)計(jì)人員的任務(wù)。由于這些設(shè)備需要較大的功率來(lái)完成其任務(wù)，因此在大多數(shù)情況下它們被連接到電網(wǎng)，這樣就不再需要進(jìn)行能量收集。然而，因?yàn)樗鼈円恢碧幱陂_(kāi)啟狀態(tài)，所以靜態(tài)功耗和效率對(duì)新連接功能而言至關(guān)重要。很多時(shí)候，這些連接功能是以無(wú)線方式執(zhí)行的，并且與本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。這將功率水平要求設(shè)置得低于10W。用AC/DC反激式解決方案一般可達(dá)到這種低功率水平。有許多集成的反激式解決方案可供選擇，但這種特殊的應(yīng)用有其自己的要求。圖1展示了這樣一個(gè)電源解決方案的例子，以滿足連接到IoT的需要。

　　圖1. 適用于家電連接的低功耗AC/DC解決方案

　　圖1的反激式例子有幾個(gè)主要特性。首先是它具有非常低的待機(jī)功耗，小于30mW。由于連接必須始終處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，即使家電處于空閑狀態(tài)。所以，低功耗就尤為重要。另一個(gè)方面是低電磁干擾（EMI），因?yàn)樵撛O(shè)備很多時(shí)候?qū)?a href="http://m.1cnz.cn/soft/data/43-45/" target="_blank">無(wú)線通信電路供電。在這個(gè)例子中，控制器采用谷值開(kāi)關(guān)和頻率抖動(dòng)來(lái)幫助減少 EMI。

　　另一個(gè)方面是電源解決方案的尺寸。尺寸本身通常不是問(wèn)題，關(guān)鍵看尺寸如何影響最終成本。IoT是一項(xiàng)振奮人心的技術(shù)，能讓洗衣機(jī)告訴您衣服已洗好待烘干，或讓冰箱通過(guò)發(fā)送到您手機(jī)上的信息告訴您門(mén)沒(méi)關(guān)好，但消費(fèi)者卻不想花不必要的錢(qián)。因此該解決方案需要最大限度地降低電源解決方案的成本。可實(shí)現(xiàn)這一目的一種方法是減小尺寸。通過(guò)以較高的頻率運(yùn)行，在這種情況下頻率是115kHz，可實(shí)現(xiàn)尺寸的縮減。

　　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

　　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)堪稱能量“貪吃鬼”，是IoT最令人關(guān)注的挑戰(zhàn)之一有很多正在進(jìn)行的電源設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作可幫助解決這個(gè)問(wèn)題。從包絡(luò)跟蹤功率放大器到數(shù)字射頻（RF）功率放大器，一切皆為基站研究和開(kāi)發(fā)，這樣的例子的確不勝枚舉。鑒于許多基站由電網(wǎng)供電，因此有機(jī)會(huì)使那種前端功率因數(shù)控制（PFC）電源更高效。圖5展示了一種這樣的方法。這是無(wú)橋PFC的功率級(jí)。通過(guò)除去二極管橋，可使該系統(tǒng)效率更高。有許多不同的無(wú)橋PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但我們將聚焦連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）推拉輸出電路的版本。

　　這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來(lái)的好處是減少了組件數(shù)量和并消除了橋接損耗。通過(guò)利用氮化鎵（GaN）開(kāi)關(guān)設(shè)備，我們能進(jìn)一步提高效率。這些器件（Q3和Q4）可提供更低的柵極損耗，從而允許更高頻率的運(yùn)行。其它寄生損耗（如Coss）也更低。此外，不存在本征體二極管，所以反向恢復(fù)損耗最小。Q1和Q2在線路頻率下被切換，并且它們可以是硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），比單用二極管能減少的損耗更多。

　　無(wú)線傳感器

　　無(wú)線傳感器通常被放置在接入比較麻煩，或接入費(fèi)用很昂貴的環(huán)境中。這要求其能量供應(yīng)可持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，一般 需要超過(guò)10年，或無(wú)線傳感器能以可靠的方式從所處環(huán)境中獲取能量。因此，這要求電源管理解決方案必須能實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)：在能量管理運(yùn)行期間，非常節(jié)約能 耗。無(wú)線傳感器還具有非常高的峰值對(duì)均值功率比，在某些情況下大于100。

　　圖2展示了無(wú)線傳感器各種功率模式的例子。在這個(gè)例子中，傳感器大部分時(shí)間處于睡眠模式，但可能喚醒進(jìn)入通信模式以便進(jìn)行測(cè)量 —— 這也能讓系統(tǒng)識(shí)別該傳感器是可用的。而在更長(zhǎng)的間隔期間，傳感器可向系統(tǒng)提供更多的信息。這種傳輸可能需要更多的能量，因此依賴于所儲(chǔ)存的可用能量。電源 管理解決方案需要能提供所需的峰值功率，同時(shí)平均能耗非常少。如果此類系統(tǒng)的環(huán)境能量較低，那么電源管理解決方案必須能采集能量，直到有足夠的能量用于所 需設(shè)施。

　　圖2. 無(wú)線傳感器功率分布圖

　　圖3展示了這樣一個(gè)系統(tǒng)［2］的實(shí)現(xiàn)例子。在這個(gè)例子中，最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）是基于MPPT電壓和光伏源開(kāi)路電壓的比值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種 MPPT實(shí)現(xiàn)方案可最大限度地降低能耗，同時(shí)執(zhí)行MPPT功能。這個(gè)例子還集成了能量存儲(chǔ)功能。由于儲(chǔ)能元件的使用壽命非常重要，因此務(wù)必注意不要使該元 件過(guò)度充放電。在這個(gè)例子中，為最小和最大存儲(chǔ)電壓設(shè)置了電平。

　　圖3. 適用于無(wú)線傳感器的能量管理電路圖

　　為了把所儲(chǔ)存的能量水平通知給系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可從外部，主要指的是能給出該通知、VBAT_OK的地方，配置電壓電平。降壓型調(diào)節(jié)器也被集成到解決方 案，以便為系統(tǒng)負(fù)載供電。這個(gè)完整的系統(tǒng)只有500nA的典型靜態(tài)電流，即使在低電流時(shí)也能實(shí)現(xiàn)高效率。例如，輸入電流為500mV且充電電流為 100uA時(shí)，升壓型轉(zhuǎn)換器的效率可大于70％。

　　編輯點(diǎn)評(píng)：以上是對(duì)智能家電的電源電路進(jìn)行了一系列的解析，在某些情況下，處理技術(shù)能使高電壓組件集成低電壓控制功能。這對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的體驗(yàn)，為電源設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了許多新挑戰(zhàn)。
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