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      德州儀器:提高樓宇/家居自動化能效的優化設計方案

      2020年06月02日 08:58 ? 次閱讀

      開發樓宇自動化產品時,能效是其中非常重要的設計考量因素之一。使用單節紐扣電池供電時,有些新型無線智能傳感器可以工作五年以上,有些傳感器甚至能夠持續 10 年或更長時間。在本白皮書中,我將討論樓宇自動化在能效方面的各種進展。我們首先了解一下納瓦級集成電路 (IC) 如何增強功能和降低功耗,以及近期的各種進展如何實現低功耗和長工作壽命。納瓦級器件的平均電流消耗可以納安 (nA)(1 安培的十億分之一)為單位來測量。遠程無線智能樓宇傳感器中使用的標準 CR2032 紐扣電池在10 年內可提供大約 2,100nA 的電流。

      對于在過去兩年間推向大眾市場的納瓦級組件,其所需電流比上一代產品的一半還要低。由于設計人員需要在設計時減小電池和電源的空間,他們得以構建出更小的產品。此外,使用傳感器和智能器件改造現有住宅、商業和工業等區域時的便利性和安全性也有所提高。由于這些器件使用商品級電池可以工作數年之久,因此無需使用電線,也無需為更換電池編制例行維護產生費用。隨著物聯網相關應用在樓宇自動化中的快速推廣,人們開始關注利用嵌入式傳感器提高安全性和效率的巨大潛力:這些傳感器不僅能夠檢測超大型系統中的個別組件故障,還能通過毫米波雷達監控人類的健康和舒適程度。

      樓宇自動化的能效:注意事項、重要性和未來趨勢

      在能效方面,設計工程師需要考慮很多因素,他們必須在功能、電池預期壽命和電路板各器件的平均電流消耗之間實現性能平衡,還要為設計建立準確的穩態消耗模型。為了盡可能多地減少功耗,很多工程師在設計中非常巧妙地實現了一些功能,從而提高了整體效率。

      德州儀器:提高樓宇/家居自動化能效的優化設計方案

      并非只有電池供電型器件需要考慮能效問題,幾乎所有線路供電系統都要進行這方面的考量。例如,在暖通空調 (HVAC) 行業,美國能源部 (DOE) 為了最大程度降低效率額定值(稱為“季節能效比”),制定了更加嚴格的法規。這些法規繼而導致永久分相式電容器電機迅速被電子換向電機取代,后者現成為大多數制造商下一代 HVAC 設備的標配。圖 1 對上述兩種電機進行了比較。DOE 認為,盡管消費者承擔了上述更昂貴電機的初始成本,但電子換向電機實際上顯著提高了能效,因此可快速獲得技術回報 - 到 2030 年,將為美國人節省 90 億美元以上的家庭用電費用。如需進行高效電子換向電機設計,建議先參閱《具有BOM 低成本、適用于 HVAC 風機的 TI 電子換向電機參考設計》。下文具體介紹了有關樓宇自動化時下流行的電池供電應用領域 - 樓宇安全,超低功耗產品設計和能效方面有許多體現這一趨勢的示例。如下頁圖 2 中所示,從 2013 年到 2023 年,安防和視頻監控市場預計增長約 5%(來源-Omdia,“工業半導體市場追蹤報告”,2020 年*)。這一增長將不可避免地促使相關方不斷優化安防和視頻監控設備的效率。

      德州儀器:提高樓宇/家居自動化能效的優化設計方案

      德州儀器:提高樓宇/家居自動化能效的優化設計方案

      在更大的空間和較陳舊的樓宇中,利用電池供電傳感器代替時斷時續的線路供電可以顯著提高成本效益。人們為了能提高能效,延長了電池壽命,因此樓宇或住宅中的遠程傳感器能夠在比以往更長的時間內,傳遞實時環境數據和傳感器狀況,而且無需使用線路供電。高能效器件可解決工程設計難題在樓宇安全應用中,霍爾效應傳感器能夠利用放在門窗上的低成本磁鐵檢測到磁場變化。與 DRV5055 角度評估模塊一樣,結合使用兩個DRV5055 傳感器,即可實現二維位置檢測。通過這種高級感應法,以及所用的校準方法和校準點數量,可實現 《1° 的高精度,但電流消耗可能較高(典型值約為 12mA)。因此為了最大限度降低功耗,可以使用超低功耗霍爾效應開關,可一次性檢測磁場移動。另一款納瓦級霍爾效應傳感器 DRV5032,采用圖 3 所示的設置來檢測閉門器擺臂的旋轉角度,它沒有始終保持開啟狀態,只有在檢測到移動時才消耗電能,因此性能優于功耗要求更嚴苛的DRV5055 傳感器。將霍爾效應開關與超低功耗負載開關配合使用時,可切斷來自 DRV5055 傳感器的電源,需要 DRV5055 傳感器進行角度感應時除外。

      下頁圖 4 顯示了另一個低功耗高能效應用,此應用使用 320nA 的 TLV8802 運算放大器作為無源紅外傳感器的信號鏈。TLV8802 非常適合采用電池供電器件的成本敏感型系統。PIR 應用需要在 PIR 傳感器的輸出端提供經過放大和濾波的信號,以使進入信號鏈后續各級的信號振幅足夠大,進而提供有用的信息。PIR 傳感器檢測遠處物體的移動時,其輸出端的典型信號電平為微伏級,因此需要放大。在噪聲到達窗口比較器的輸入端之前,需要使用濾波功能來限制系統的噪聲帶寬。濾波功能還會設置系統在檢測移動時的最低和最高速度限值。

      德州儀器:提高樓宇/家居自動化能效的優化設計方案

      優化設計以提高能效的另一種方法是將納瓦級計時器和負載開關結合使用,將功耗更高的器件甚至微控制器 (MCU) 斷電,讓它們進入更深的休眠狀態。圖 5 是適用于住宅和商業環境的簡單低功耗無線環境傳感器原理圖。在圖 5 中,將 TPL5111 用作 TPS22860 的一個定期喚醒或使能信號,當啟用 TPS22860 之后,它將為 HDC2080 供電。此電路還有一個 DONE引腳,此引腳連接到 SimpleLink? MCU 的通用輸入/輸出引腳,可以在完成處理之后將 HDC2080斷電。當納瓦級計時器關閉負載開關之后,會切斷來自 HDC2080 的電源,從而大幅降低能耗??梢詾?TPL5111 設置一個寬時間范圍,這樣可以在將輪詢頻率設置為高延遲值時降低更多功耗。樓宇自動化的能量收集當前很多超低功耗的創新都基于數十年來一直沿用的紐扣電池設計,但這些組件會消耗由光能(光伏)、移動或無線射頻能量轉化的電能。能量收集可以為器件提供額外電能,從而大大提高能效。將超低功耗器件和高能效設計結合使用時,可以將遠程樓宇傳感器的使用壽命延長數年之久。超級電容器與低功耗器件中的紐扣電池結合使用或代替紐扣電池時,可存儲收集到的能量,供器件使用。與一次性電池不同,超級電容器可快速充電。

      德州儀器:提高樓宇/家居自動化能效的優化設計方案

      能量收集應用:門把手

      轉動門把手即可輕松收集額外的能量,供智能使用。當與電機結合使用時,電機軸可與減速齒輪集成,將門把手的慢速轉動轉換為電機的更高轉速旋轉,使電機發電,隨后電能經過整流和調節,可在超級電容器內存儲。圖 6 顯示了一種可能的設置,通過對門把手使用握力計和耦合器來測試這種能量收集方法。

      德州儀器:提高樓宇/家居自動化能效的優化設計方案

      圖 7 顯示了用于將門把手的旋轉運動轉換為存儲能量的完整電源路徑。此電源路徑具有兩個負載開關,當超級電容器上的能量足夠高、能夠為系統供電或為電池充電提供能源時,可減少電池負載。DRV8847 雙路 H 橋電機驅動器可以從發電機收集能量。圖 8 顯示了這種電源架構的輸出功率。

      德州儀器:提高樓宇/家居自動化能效的優化設計方案

      有很多其他的 TI 產品和設計滿足能量收集的工業需求,例如《無線開關電源能量收集參考設計》,此設計利用一個零點頻率能量收集開關通過按鈕按壓操作產生能量。另一個很好的示例是《低于1GHz 網絡的能量收集環境光和環境傳感器節點參考設計》,此設計采用兩塊集成式太陽能電池,能夠通過收集光伏發電能量為系統提供額外電能。圖9 顯示了此能量收集門把手的輸出以及電機輸出有源整流。

      德州儀器:提高樓宇/家居自動化能效的優化設計方案

      高能效設計的一個示例

      智能家居設計的一個核心器件是智能鎖,它能夠通過無線方式接收授權用戶發出的命令、監控走廊并在無人工干預的情況下操縱門鎖。但如果電池壽命和維護經常干擾智能鎖的正常運行,智能鎖將無法獲得主流標準鎖/鑰機制的認可。高能效設計和能量收集有助于將電子智能鎖的壽命延長數年之久。不妨考慮這樣一款高級智能鎖,它可以確保門栓位于門框內,而且門完全關閉。當用戶從內側打開閂鎖旋轉門栓時,會產生少許能量,這些能量在被收集后可在遠程鎖門時用于驗證門栓位置。很明顯,這只是提議的方法之一,還可以有很多其他方法。下頁圖10 顯示了這種特定方法的方框圖。

      德州儀器:提高樓宇/家居自動化能效的優化設計方案

      在門框一側有一個簡單的嵌件,可以安裝在門栓板的背面。這些觸點的內部有一個特殊電阻值,它會在觸點之間提供壓降??梢允褂靡粋€運算放大器來比較此電壓,也可以利用一個超低功耗模數轉換器來測量輸出電壓以進一步提高精度或防止篡改。當 MCU 驗證了輸出值之后,它會通過負載開關切斷為負載提供的電源,以最大限度降低功耗(在關斷模式下 ≤2nA)。由于外設的無源性質,這種設計非常高效,能夠以非常低的附加成本為智能鎖提供額外的防入侵和篡改安全功能。圖 11 更詳細地概述了門栓位置感應應用。

      德州儀器:提高樓宇/家居自動化能效的優化設計方案

      結論

      新技術要想取代成熟但技術含量低的現有技術,通常需要具備明顯的優勢而且不會造成任何嚴重負擔。超低功耗的實現不僅提高了便利性,還提供了幾乎無需維護的先進技術,成功解決了這些難題。憑借多年來可以信賴的可靠數據見解和計算能力,超低功耗技術正在重新定義人們對于智能器件的部署位置、部署方式和工作壽命的期望。當第一代電池最終被淘汰之后,這些創新的漣漪效應會持續很長時間。

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      通過運算放大器來實現ppm精度能否成為一種解決方...

      工業和醫療設計推動產品的精度和速度日益提高。模擬集成電路行業總體能夠跟上速度的發展要求,但在精度要求....
      發表于 2020-05-12 10:35? 213次閱讀
      通過運算放大器來實現ppm精度能否成為一種解決方...

      穿過隔離柵供電:認識隔離式直流/直流偏置電源

      對于設計人員來說,在隔離柵內移動信號和電源是一項常見的挑戰。為了提高安全性和抗噪性能,或產生較大的電....
      發表于 2020-05-11 17:37? 246次閱讀
      穿過隔離柵供電:認識隔離式直流/直流偏置電源

      [FAQ]呼吸機/醫用鼓風機設計支持和資源

      TI時刻準備為您提供幫助。如果您需要有關如何設計呼吸機或其他醫療設備的資源,我們的團隊可助力您加快系....
      發表于 2020-05-11 10:09? 653次閱讀
       [FAQ]呼吸機/醫用鼓風機設計支持和資源

      新冠病毒的爆發為MCU發展帶來了機遇

      正所謂不破不立,此次新冠病毒在全球范圍內的爆發,對國外的半導體芯片產業也是十足的沖擊,許多廠商紛紛宣....
      發表于 2020-05-10 10:03? 206次閱讀
      新冠病毒的爆發為MCU發展帶來了機遇

      STM32Cube微控制器開發軟件已于GitHu...

      意法半導體在人氣頗高的代碼托管網站平臺GitHub上發布了STM32Cube嵌入式軟件,向開發者開放....
      發表于 2020-05-09 11:20? 537次閱讀
      STM32Cube微控制器開發軟件已于GitHu...

      意法半導體STM32Cube微控制器開發軟件在G...

      在GitHub上發布STM32Cube軟件全部原始代碼,可以讓1000多款STM32 *Arm?Co....
      發表于 2020-05-08 10:50? 546次閱讀
      意法半導體STM32Cube微控制器開發軟件在G...

      運算放大器基本電路大全!

      單電源供電的電路(圖一中右)運放的電源腳連接到正電源和地。正電源引腳接到VCC+,地或者VCC-引腳....
      發表于 2020-05-06 16:09? 2433次閱讀
      運算放大器基本電路大全!

      基于SM79164為微控制器和CM300通信模塊...

      隨著現代通信事業的迅猛發展,通信機房的數量急劇增加,在提高通信服務質量的同時,對通信機房的管理也提出....
      發表于 2020-05-03 10:30? 218次閱讀
      基于SM79164為微控制器和CM300通信模塊...

      未來電子標簽多元的應用也為傳統的生活模式帶來巨大...

      由于高精確度以及勞動成本大幅降低兩大優勢,電子標簽市場將逐漸成長,根據 Mordor Intelli....
      發表于 2020-04-30 10:21? 1088次閱讀
      未來電子標簽多元的應用也為傳統的生活模式帶來巨大...

      貿澤電子將供應Qorvo PAC5524電機控制...

      貿澤電子供應的Qorvo PAC5524采用Qorvo的多模電源管理器 (MMPM),能為多種電源提....
      發表于 2020-04-29 06:04? 223次閱讀
      貿澤電子將供應Qorvo PAC5524電機控制...

      ST汽車級運算放大器

      ST的汽車級運算放大器滿足汽車市場和應用對極端可靠性和質量的要求。ST提供了持續增長的產品組合。這些....
      發表于 2020-04-28 11:00? 1001次閱讀
      ST汽車級運算放大器

      高精度電池電壓采樣以提高電池容量計算精度

      低電流損耗16S-17S電池組參考設計可以幫助解決以上提到的設計難題。它使用BQ76940電池監控器....
      發表于 2020-04-28 09:54? 1173次閱讀
      高精度電池電壓采樣以提高電池容量計算精度

      你知道怎樣選運算放大器嗎?

      運算放大器最基本的功能是放大電子信號,例如一般話筒的輸出電壓通常在微伏級,這樣的信號用來驅動揚聲器顯....
      發表于 2020-04-28 09:28? 1377次閱讀
      你知道怎樣選運算放大器嗎?

      采用零漂移運算放大器設計的注意事項

      零漂移運算放大器特別適合于差分信號較小的精密應用,尤其是低頻應用。這包括物聯網(IoT)和工業4.0....
      發表于 2020-04-28 09:16? 841次閱讀
      采用零漂移運算放大器設計的注意事項

      基于運算放大器的CTIA結構實現2×8讀出電路的...

      APD探測器的最大缺點是暗電流相對于信號增益較大,所以設計APD讀出電路的關鍵是放大輸出弱電流信號,....
      發表于 2020-04-28 09:08? 675次閱讀
      基于運算放大器的CTIA結構實現2×8讀出電路的...
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