作者：Frederik Dostal，電源管理專家

摘要

智能家居應(yīng)用涉及許多技術(shù)構(gòu)建模塊。其中一些模塊部署在沒(méi)有任何電纜連接的地方，需采用電池供電，比如一些傳感器、開(kāi)關(guān)、電表和便攜式遙控器。此類器件通常由電池供電。為了構(gòu)建便捷、小巧、可靠且低成本的系統(tǒng)，電源管理是關(guān)鍵。

簡(jiǎn)介

得益于nanopower領(lǐng)域的創(chuàng)新，現(xiàn)可使用單節(jié)或多節(jié)堿性電池或鋰離子(Li-Ion)電池為此類器件供電。

本文介紹了具體用例，并展示了兩個(gè)采用ADI公司新款MAX77837和MAX18000nanopower開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的電路示例。

夢(mèng)想成真

“便利”是根植于人類本性中的愿望。我們辛勤工作掙錢，為的就是能讓生活更加輕松便捷。智能家居技術(shù)正在推動(dòng)家庭自動(dòng)化領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展。我們期望家庭環(huán)境能更好地服務(wù)于我們，讓我們生活得更加放松、舒適、安全，同時(shí)也更加環(huán)保。

多年前，就出現(xiàn)了暖通空調(diào)、安全警報(bào)、草坪噴淋和家庭娛樂(lè)等傳統(tǒng)家居系統(tǒng)。然而，只有基于網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)控制，才能真正提高便利性。過(guò)去，每到夏令時(shí)要調(diào)整噴淋系統(tǒng)，可能還得翻箱倒柜地找說(shuō)明書?，F(xiàn)在，用手機(jī)上的一個(gè)應(yīng)用就能輕松管理一切，而且還能自動(dòng)完成很多基本設(shè)置。

構(gòu)建智能家居應(yīng)用

為了讓智能家居系統(tǒng)能夠感知周圍環(huán)境，通常需要在房屋各處布置傳感器。傳統(tǒng)的傳感器主要用于檢測(cè)光線、溫度和運(yùn)動(dòng)，而更現(xiàn)代的傳感器則具備圖像識(shí)別和其他高度智能化的識(shí)別能力。此類傳感器不僅可以檢測(cè)某個(gè)房間里有多少人，還能分辨出是友好的貓咪走到門口，還是竊賊正在窗外窺視，伺機(jī)盜取財(cái)物。

為了節(jié)省成本并提高靈活性，此類傳感器應(yīng)能夠無(wú)線運(yùn)行。這樣，傳感器就能輕松部署在現(xiàn)有住宅中，并充分利用合適的安裝位置。如今，得益于Wi-Fi或藍(lán)牙®等無(wú)線通信，數(shù)據(jù)通信已不再是一個(gè)難題。然而，所有傳感器都需要電力。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，電力供應(yīng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。雖然可以使用常見(jiàn)的光伏電池收集能量，但普通電池仍然是首選的供電方式。智能家居系統(tǒng)最大的問(wèn)題是電池運(yùn)行時(shí)間。為了讓簡(jiǎn)易電池切實(shí)可用，并提高光伏電池的成本效益，傳感器需要高效的電源。對(duì)于任何智能家居系統(tǒng)，待機(jī)電流和滿負(fù)荷運(yùn)行效率都是至關(guān)重要的設(shè)計(jì)因素。

采用單節(jié)電芯升壓轉(zhuǎn)換器的高效電源

為分布式傳感器供電的一種簡(jiǎn)單辦法是使用原電池，這是一次性、不可充電的電池。這種電池在電路成本、硬件組成和擁有成本（包括更換或充電的成本和耗費(fèi)的經(jīng)歷）之間取得了良好的平衡。通常，全新原電池提供1.5 V的電壓。放完電后，電池電壓降至0.8 V以下。不同類型的化學(xué)電池在放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同的電壓曲線。但一般來(lái)說(shuō)，一旦電壓低于0.8 V，電池就很難再放電，無(wú)法繼續(xù)使用。

許多電子電路的工作電壓高于0.8 V。為使電源電壓與工作電壓更好地匹配，可以串聯(lián)使用多節(jié)電池。然而，與單節(jié)電芯相比，多節(jié)電芯的成本更高，而且需要更多空間。因此，市面上有非常高效的升壓調(diào)節(jié)器，可以將0.8 V至1.5 V的典型原電芯電壓提升到智能家居應(yīng)用所需的電壓，例如3.3 V甚至5 V。圖1為采用MAX18000的小型升壓轉(zhuǎn)換器電路。

圖1.一種簡(jiǎn)單但高效的單節(jié)電芯升壓轉(zhuǎn)換器

此電路很緊湊，僅需少量外部元件。DC-DC轉(zhuǎn)換器IC本身采用1.07 mm × 1.57 mm封裝。升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)置兩個(gè)3.6 A開(kāi)關(guān)。輸出電壓?jiǎn)?dòng)并運(yùn)行后，靜態(tài)電流僅為512 nA。峰值效率為95%，低負(fù)載效率（負(fù)載電流高于20 µA）仍然高于90%。輸入工作電壓范圍為0.5 V至5.5 V，因此能將非常低的電池電壓（如0.8 V）提升至有用的更高系統(tǒng)電壓。

采用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的高效電源

有些傳感器應(yīng)用采用多節(jié)電池或一節(jié)鋰離子電池運(yùn)行。這種情況下，所需的電壓比上面的例子要略高。滿電狀態(tài)的鋰離子電池的典型電壓值約為3.7 V。電池放電時(shí)，電壓最低值約為2.8 V，低于此值就意味著電池電量基本耗盡。對(duì)于該電壓范圍（即2.8 V至3.7 V），為了運(yùn)行典型傳感器電路的常見(jiàn)電子元器件，需要借助降壓-升壓解決方案來(lái)產(chǎn)生標(biāo)稱3.3 V電壓。這就是為什么隨著鋰離子電池的興起，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器越來(lái)越受到重視。

串聯(lián)使用三節(jié)1.5 V原電池時(shí)也有類似的需求。它們?cè)跐M電狀態(tài)時(shí)總共提供4.5 V電壓，但在電量幾乎耗盡時(shí)，這些電池僅提供大約2.4 V電壓。要為傳感器產(chǎn)生固定的3.3 V電壓，同樣需要降壓-升壓解決方案。

圖2為采用MAX77837的降壓-升壓解決方案。該解決方案只需要少量外部元件，因此所需的印刷電路板面積非常小。此外，芯片本身的封裝尺寸也非常小，僅為1.84 mm × 1.03 mm。傳感器制造商如果希望使用間距（引腳之間的距離）更大的封裝，可以選用2.5 mm × 2 mm QFN封裝。為盡可能延長(zhǎng)電池的使用壽命，該解決方案僅需要典型值430 nA的靜態(tài)電流。關(guān)斷時(shí)，電源轉(zhuǎn)換IC僅消耗10 nA電流。這對(duì)于主電池旁邊有儲(chǔ)能電容的應(yīng)用可能很有用。DC-DC轉(zhuǎn)換器可以處于關(guān)斷模式一段時(shí)間，然后重新啟動(dòng)并再次對(duì)電容充電。長(zhǎng)期來(lái)看，這種方案可以節(jié)省更多電量，并延長(zhǎng)電池的運(yùn)行時(shí)間。

圖2.超高效降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，用于產(chǎn)生高于或低于輸入電壓的電壓

利用電路仿真簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電池供電的傳感器時(shí)，必須解決一些有關(guān)電源電路的能力和局限性的基本問(wèn)題。在此階段進(jìn)行電路計(jì)算和仿真很有意義，不僅可以節(jié)省時(shí)間，還可以降低使用不合適的集成電路開(kāi)始硬件設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。為幫助用戶快速上手設(shè)計(jì)，ADI提供免費(fèi)的EE-Sim®電源工具。使用此工具時(shí)，用戶只需鍵入輸入電壓、輸出電壓和電流要求，工具即可立即計(jì)算出合適的電路。圖3為EE-Sim® Power中的一個(gè)電路仿真結(jié)果示例。

在此電路計(jì)算的基礎(chǔ)上，工具可以根據(jù)實(shí)際的外部元器件進(jìn)行電路仿真，給出不同電壓和電流的波形。工具還能執(zhí)行負(fù)載階躍、交流環(huán)路、線路瞬態(tài)和效率等高級(jí)仿真任務(wù)。

圖3.使用EE-Sim®電源工具設(shè)計(jì)和仿真電路

入門硬件

理論和仿真很重要，但實(shí)際硬件可能有很大不同。除了適用于單個(gè)電源轉(zhuǎn)換器的評(píng)估板外，ADI還提供完整、實(shí)用的傳感器系統(tǒng)，以便評(píng)估。其中包括煙霧探測(cè)系統(tǒng)，這是經(jīng)過(guò)多標(biāo)準(zhǔn)微功率驗(yàn)證的煙霧探測(cè)系統(tǒng)模塊。其中展示了MAX77837和ADP162如何為一個(gè)完整煙霧探測(cè)器供電。該煙霧探測(cè)器由三個(gè)器件組成，包括用于煙霧探測(cè)的集成光學(xué)模塊ADPD188BI；帶有煙霧火災(zāi)探測(cè)算法的MAX32660；以及數(shù)字溫度傳感器MAX31875。點(diǎn)擊此處可下載所有相關(guān)設(shè)計(jì)文件，以便開(kāi)發(fā)者輕松打造具備nanopower特性的高品質(zhì)智能家居傳感器。這款經(jīng)過(guò)全面優(yōu)化和驗(yàn)證的傳感器硬件包含必要的軟件，展示了電源管理電路的功能。

圖4.經(jīng)過(guò)多標(biāo)準(zhǔn)微功率驗(yàn)證的煙霧探測(cè)系統(tǒng)化模塊

結(jié)論

電源管理對(duì)于實(shí)現(xiàn)智能家居至關(guān)重要。它能確保高效的電源轉(zhuǎn)換，從而延長(zhǎng)小型、低成本電池的運(yùn)行時(shí)間。目前，市面上的傳感器具備許多特性，例如穩(wěn)健的連接。為了讓電池供電或能量收集供電的系統(tǒng)能夠切實(shí)應(yīng)用于各種傳感器，降壓、升壓和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)電流必須非常低。半導(dǎo)體工藝和集成電路設(shè)計(jì)的創(chuàng)新成果有助于滿足這一要求。而這僅僅是開(kāi)始，未來(lái)隨著電源管理技術(shù)的進(jìn)步，互聯(lián)家居領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)眾多創(chuàng)新，催生更加智能的傳感器。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財(cái)年收入超過(guò)90億美元，全球員工約2.4萬(wàn)人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。

作者簡(jiǎn)介

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的電源管理專家。他曾就讀于德國(guó)埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，幫助客戶在項(xiàng)目中實(shí)施電源管理解決方案，進(jìn)而積累了不少經(jīng)驗(yàn)。在此期間，他還在美國(guó)亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔(dān)任應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔(dān)任多個(gè)產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用知識(shí)，目前擔(dān)任電源管理專家。Frederik在ADI的德國(guó)慕尼黑分公司工作。