智能家居技術(shù)的飛速發(fā)展帶來了更便捷的生活體驗(yàn)，但與此同時(shí)，無零線系統(tǒng)和低功耗設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)也日益突出。特別是在舊房改造和沒有零線的環(huán)境下，智能設(shè)備的安裝與使用面臨諸多技術(shù)難題。Power Integrations作為高能效AC-DC電源解決方案的領(lǐng)先者，在這些挑戰(zhàn)的應(yīng)對上發(fā)揮了關(guān)鍵作用。本文將結(jié)合Power Integrations的先進(jìn)技術(shù)，探討智能家居領(lǐng)域無零線系統(tǒng)與低功耗設(shè)計(jì)的趨勢與挑戰(zhàn)。

一、無零線系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

無零線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷是為了方便舊房改造以及沒有布置零線的環(huán)境下的智能設(shè)備安裝。傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)中，電器設(shè)備通常需要接入火線和零線以確保正常運(yùn)作。智能家居設(shè)備往往需要持續(xù)供電，以維持其聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸以及功能操作。在這種情況下，零線的缺失會給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來一系列挑戰(zhàn)。

供電問題在無零線環(huán)境下，智能設(shè)備只能通過火線獲取電源，這對設(shè)備的電源管理提出了很高的要求。許多智能設(shè)備需要在低電壓和低功耗的情況下持續(xù)工作，因此如何在沒有零線的情況下有效獲取和分配電力是一個(gè)技術(shù)難題。

電氣安全性無零線系統(tǒng)在供電和設(shè)計(jì)上面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是電氣安全問題。由于沒有零線，設(shè)備的接地保護(hù)效果不如傳統(tǒng)系統(tǒng)好，這會增加漏電、觸電等風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)人員需要采取額外的保護(hù)措施，如加入電子隔離和過載保護(hù)，以確保用戶的使用安全。

系統(tǒng)兼容性無零線系統(tǒng)的兼容性問題也是一個(gè)值得關(guān)注的挑戰(zhàn)。由于國內(nèi)外電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不一，智能家居設(shè)備在不同地區(qū)的適應(yīng)性存在較大差異。設(shè)計(jì)人員需要針對不同的電氣環(huán)境設(shè)計(jì)兼容的解決方案，以確保設(shè)備可以在全球市場上穩(wěn)定運(yùn)行。

信號傳輸與穩(wěn)定性智能家居設(shè)備通常通過無線信號進(jìn)行通信，在無零線系統(tǒng)中，信號的傳輸與穩(wěn)定性受到影響。由于設(shè)備必須節(jié)約電能，無法頻繁開啟無線模塊或維持高強(qiáng)度信號傳輸，這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性，尤其是在干擾較大的環(huán)境中

目前，由于布線的局限性，許多住宅或樓宇無法提供零線，這使得智能開關(guān)和其他設(shè)備只能通過單火線取電。這種情況下，智能開關(guān)通過傳感器和聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能控制，但同時(shí)也帶來了“鬼影”現(xiàn)象的困擾，即在開關(guān)斷開時(shí)，LED燈具會偶爾閃爍。其根本原因在于智能開關(guān)的待機(jī)電流(ISW_OFF)流經(jīng)負(fù)載，導(dǎo)致電源的大待機(jī)電流引發(fā)LED燈的閃爍。

為了應(yīng)對單火線取電的挑戰(zhàn)，Power Integrations推出了無需零線連接的BLE智能開關(guān)DER-832。這款產(chǎn)品基于LinkSwitch-TN2 LNK3202D開關(guān)電源IC設(shè)計(jì)，能夠在90-277 VAC輸入下工作，適用于照明控制墻壁開關(guān)和調(diào)光器、智能遮陽的墻壁開關(guān)等應(yīng)用場景。DER-832支持兩線、單線和無零線布線電路設(shè)計(jì)，并集成了Nordic BLE nRF2382低功耗藍(lán)牙芯片，使得在230 VAC電壓下，帶BLE負(fù)載的漏電流小于100 µA。這一設(shè)計(jì)不僅有效解決了“鬼影”現(xiàn)象，還為智能家居設(shè)備提供了穩(wěn)定的低功耗解決方案。

帶BLE負(fù)載的待機(jī)漏電流

此外，DER-832還能夠通過智能手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行控制，進(jìn)一步提升了用戶體驗(yàn)和設(shè)備的智能化水平。Power Integrations的這些創(chuàng)新產(chǎn)品為無零線系統(tǒng)的應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支持，同時(shí)滿足了用戶對于智能化和便利性的需求。

二、低功耗設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

低功耗設(shè)計(jì)是智能家居系統(tǒng)中一個(gè)核心問題，尤其是在無零線環(huán)境下，更需要精細(xì)的電源管理來延長設(shè)備的使用壽命。智能家居設(shè)備通常需要長時(shí)間運(yùn)行，因此低功耗設(shè)計(jì)在提升用戶體驗(yàn)、節(jié)約能源和延長電池壽命方面起著至關(guān)重要的作用。然而，低功耗的要求也帶來了技術(shù)上的挑戰(zhàn)。智能家居設(shè)備的低功耗設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)長時(shí)間持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵，尤其是在全球范圍內(nèi)對節(jié)能環(huán)保的需求日益增加的背景下。隨著越來越多的智能設(shè)備進(jìn)入家庭市場，低功耗要求成為制造商面臨的主要挑戰(zhàn)。Power Integrations憑借其豐富的電源解決方案，在滿足這些需求的同時(shí)，也為行業(yè)樹立了新的標(biāo)準(zhǔn)。

計(jì)算資源的權(quán)衡智能家居設(shè)備需要執(zhí)行大量的計(jì)算任務(wù)，如環(huán)境監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、語音識別等。這些任務(wù)需要一定的計(jì)算資源，而計(jì)算資源的增加通常伴隨著功耗的增加。因此，設(shè)計(jì)低功耗設(shè)備時(shí)，如何在功耗和計(jì)算資源之間找到平衡是一個(gè)難題。設(shè)備需要在保證功能完整性的前提下，盡可能降低計(jì)算和通信的能耗。

通信技術(shù)的選擇智能家居設(shè)備通常依賴無線通信技術(shù)，如Wi-Fi、Zigbee、藍(lán)牙等。這些通信協(xié)議在實(shí)現(xiàn)低功耗方面有著各自的優(yōu)勢和局限。例如，Wi-Fi可以提供較大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，但功耗較高；而Zigbee和藍(lán)牙則在低功耗方面表現(xiàn)出色，但傳輸距離和帶寬有限。因此，如何選擇合適的通信技術(shù)以滿足低功耗和穩(wěn)定傳輸?shù)男枨?，是設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)考慮的問題。

硬件設(shè)計(jì)的優(yōu)化在低功耗設(shè)計(jì)中，硬件電路的優(yōu)化是至關(guān)重要的一環(huán)。通過選擇低功耗芯片、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、減少待機(jī)功耗等措施，可以顯著降低設(shè)備的整體功耗。此外，設(shè)計(jì)人員還可以通過動態(tài)電源管理技術(shù)，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際工作狀態(tài)調(diào)整供電策略，從而在不同的工作模式下達(dá)到功耗的最優(yōu)化。

軟件算法的優(yōu)化除了硬件設(shè)計(jì)，軟件算法的優(yōu)化也是低功耗設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。智能家居設(shè)備可以通過優(yōu)化算法來減少不必要的計(jì)算和通信，從而降低功耗。例如，在數(shù)據(jù)處理方面，設(shè)備可以使用更高效的數(shù)據(jù)壓縮和傳輸算法，減少數(shù)據(jù)的傳輸量和處理時(shí)間；在感知任務(wù)中，設(shè)備可以通過事件驅(qū)動的方式代替持續(xù)的監(jiān)測，從而降低感知功耗。

能源收集與管理在一些低功耗智能家居設(shè)備中，能源收集技術(shù)也成為一種解決方案。設(shè)備可以通過太陽能、熱能或振動能等方式獲取環(huán)境中的能量，減輕對傳統(tǒng)電力的依賴。然而，如何有效收集和管理這些能量，并將其轉(zhuǎn)化為設(shè)備可用的電能，也是當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。

以智能燈泡為例，美國加州Title 20 (Tier-2)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，智能燈具的最大待機(jī)功率不得超過200 mW。這一規(guī)定凸顯了低功耗設(shè)計(jì)的重要性，因?yàn)榇龣C(jī)功耗是智能家居設(shè)備能耗中的重要組成部分。Power Integrations的產(chǎn)品系列通過領(lǐng)先的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超低待機(jī)功耗和高效能，為智能家居領(lǐng)域的低功耗設(shè)計(jì)提供了有效的解決方案。

RDK-623是一款典型的低功耗電源解決方案，基于LinkSwitch-TN2 LNK3202D非隔離反激式電源IC設(shè)計(jì)，具有超低的待機(jī)電流功耗，僅為<65 µA。這款設(shè)備在85-277 VAC的通用AC輸入下工作，并提供負(fù)載短路保護(hù)和2 kV輸入浪涌保護(hù)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，RDK-623的設(shè)計(jì)僅由19個(gè)元件構(gòu)成，尺寸小巧，非常適合應(yīng)用于智能家居設(shè)備中。

另一個(gè)值得關(guān)注的產(chǎn)品是DER-631/659，它基于InnoSwitch3-CP INN3268C電源IC，支持5.1 V/6 A、9.2 V/3.3 A、15.3 V/2 A輸出，待機(jī)功耗低至<30 mW，平均效率高達(dá)90%以上。這款產(chǎn)品不僅功耗低，性能也非常出色，特別適合用于高性能的智能家居場景。

RDK-623內(nèi)部設(shè)計(jì)框圖

此外，DER-815基于InnoSwitch3 INN3268C電源IC設(shè)計(jì)，支持恒功率輸出，待機(jī)功耗低至<50 mW，并在通用AC輸入電壓下滿載效率高達(dá)92%。該產(chǎn)品特別適用于智能音箱、管狀電機(jī)等應(yīng)用場景，為這些設(shè)備提供了高效的電源解決方案。

RDK-623超低待機(jī)功耗表現(xiàn)

DER-631/659在5.1V輸出下的高性能表現(xiàn)

DER-815恒壓、恒功率及恒流特性曲線

DER-815在不同輸入電壓下的平均效率高達(dá)92%

無論是應(yīng)對無零線系統(tǒng)帶來的安裝難題，還是在低功耗設(shè)計(jì)中尋求性能與能耗的平衡，智能家居設(shè)備都需要不斷突破技術(shù)瓶頸。Power Integrations通過其領(lǐng)先的電源IC技術(shù)，推出了多款創(chuàng)新產(chǎn)品，成功解決了單火線取電和超低功耗設(shè)計(jì)的難題。這些產(chǎn)品不僅符合全球各地的新建筑規(guī)范，還能夠幫助客戶縮短設(shè)計(jì)周期，提升設(shè)備的整體性能和用戶體驗(yàn)。

未來，隨著智能家居設(shè)備的普及和技術(shù)的不斷進(jìn)步，低功耗設(shè)計(jì)和無零線系統(tǒng)將繼續(xù)成為行業(yè)發(fā)展的重要方向。Power Integrations等技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新，將為智能家居領(lǐng)域注入更多可能性，推動行業(yè)向更加智能化、節(jié)能化的方向邁進(jìn)。