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作者：Frederik Dostal，ADI公司電源管理專家 摘要 智能家居應用涉及許多技術構建模塊。其中一些模塊部署在沒有任何電纜連接的地方，需采用電池供電，比如一些傳感器、開關、電表和便攜式遙控器。此類器件通常由電池供電。為了構建便捷、小巧、可靠且低成本的系統，電源管理是關鍵。 簡介 得益于nanopower領域的創新，現可使用單節或多節堿性電池或鋰離子(Li-Ion)電池為此類器件供電。 本文介紹了具體用例，并展示了兩個采用ADI公司新款MAX77837和MAX18000nanopower開關轉換器的電路示例。 夢想成真 “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。智能家居技術正在推動家庭自動化領域取得顯著進展。我們期望家庭環境能更好地服務于我們，讓我們生活得更加放松、舒適、安全，同時也更加環保。 多年前，就出現了暖通空調、安全警報、草坪噴淋和家庭娛樂等傳統家居系統。然而，只有基于網絡的互聯控制，才能真正提高便利性。過去，每到夏令時要調整噴淋系統，可能還得翻箱倒柜地找說明書。現在，用手機上的一個應用就能輕松管理一切，而且還能自動完成很多基本設置。 構建智能家居應用 為了讓智能家居系統能夠感知周圍環境，通常需要在房屋各處布置傳感器。傳統的傳感器主要用于檢測光線、溫度和運動，而更現代的傳感器則具備圖像識別和其他高度智能化的識別能力。此類傳感器不僅可以檢測某個房間里有多少人，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，伺機盜取財物。 為了節省成本并提高靈活性，此類傳感器應能夠無線運行。這樣，傳感器就能輕松部署在現有住宅中，并充分利用合適的安裝位置。如今，得益于Wi-Fi或藍牙®等無線通信，數據通信已不再是一個難題。然而，所有傳感器都需要電力。對于大多數應用而言，電力供應仍然是一個挑戰。雖然可以使用常見的光伏電池收集能量，但普通電池仍然是首選的供電方式。智能家居系統最大的問題是電池運行時間。為了讓簡易電池切實可用，并提高光伏電池的成本效益，傳感器需要高效的電源。對于任何智能家居系統，待機電流和滿負荷運行效率都是至關重要的設計因素。 采用單節電芯升壓轉換器的高效電源 為分布式傳感器供電的一種簡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的經歷）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。不同類型的化學電池在放電過程中會產生不同的電壓曲線。但一般來說，一旦電壓低于0.8 V，電池就很難再放電，無法繼續使用。 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，可以串聯使用多節電池。然而，與單節電芯相比，多節電芯的成本更高，而且需要更多空間。因此，市面上有非常高效的升壓調節器，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的小型升壓轉換器電路。 
圖1.一種簡單但高效的單節電芯升壓轉換器 此電路很緊湊，僅需少量外部元件。DC-DC轉換器IC本身采用1.07 mm × 1.57 mm封裝。升壓轉換器內置兩個3.6 A開關。輸出電壓啟動并運行后，靜態電流僅為512 nA。峰值效率為95%，低負載效率（負載電流高于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電壓。 采用降壓-升壓轉換器的高效電源 有些傳感器應用采用多節電池或一節鋰離子電池運行。這種情況下，所需的電壓比上面的例子要略高。滿電狀態的鋰離子電池的典型電壓值約為3.7 V。電池放電時，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。對于該電壓范圍（即2.8 V至3.7 V），為了運行典型傳感器電路的常見電子元器件，需要借助降壓-升壓解決方案來產生標稱3.3 V電壓。這就是為什么隨著鋰離子電池的興起，降壓-升壓轉換器越來越受到重視。 串聯使用三節1.5 V原電池時也有類似的需求。它們在滿電狀態時總共提供4.5 V電壓，但在電量幾乎耗盡時，這些電池僅提供大約2.4 V電壓。要為傳感器產生固定的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。為盡可能延長電池的使用壽命，該解決方案僅需要典型值430 nA的靜態電流。關斷時，電源轉換IC僅消耗10 nA電流。這對于主電池旁邊有儲能電容的應用可能很有用。DC-DC轉換器可以處于關斷模式一段時間，然后重新啟動并再次對電容充電。長期來看，這種方案可以節省更多電量，并延長電池的運行時間。
圖2.超高效降壓-升壓轉換器，用于產生高于或低于輸入電壓的電壓 利用電路仿真簡化設計 設計電池供電的傳感器時，必須解決一些有關電源電路的能力和局限性的基本問題。在此階段進行電路計算和仿真很有意義，不僅可以節省時間，還可以降低使用不合適的集成電路開始硬件設計的風險。為幫助用戶快速上手設計，ADI提供免費的EE-Sim®電源工具。使用此工具時，用戶只需鍵入輸入電壓、輸出電壓和電流要求，工具即可立即計算出合適的電路。圖3為EE-Sim® Power中的一個電路仿真結果示例。 在此電路計算的基礎上，工具可以根據實際的外部元器件進行電路仿真，給出不同電壓和電流的波形。工具還能執行負載階躍、交流環路、線路瞬態和效率等高級仿真任務。
圖3.使用EE-Sim®電源工具設計和仿真電路 入門硬件 理論和仿真很重要，但實際硬件可能有很大不同。除了適用于單個電源轉換器的評估板外，ADI還提供完整、實用的傳感器系統，以便評估。其中包括煙霧探測系統，這是經過多標準微功率驗證的煙霧探測系統模塊。其中展示了MAX77837和ADP162如何為一個完整煙霧探測器供電。該煙霧探測器由三個器件組成，包括用于煙霧探測的集成光學模塊ADPD188BI；帶有煙霧火災探測算法的MAX32660；以及數字溫度傳感器MAX31875。點擊此處可下載所有相關設計文件，以便開發者輕松打造具備nanopower特性的高品質智能家居傳感器。這款經過全面優化和驗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.經過多標準微功率驗證的煙霧探測系統化模塊 結論 電源管理對于實現智能家居至關重要。它能確保高效的電源轉換，從而延長小型、低成本電池的運行時間。目前，市面上的傳感器具備許多特性，例如穩健的連接。為了讓電池供電或能量收集供電的系統能夠切實應用于各種傳感器，降壓、升壓和降壓-升壓轉換器的靜態電流必須非常低。半導體工藝和集成電路設計的創新成果有助于滿足這一要求。而這僅僅是開始，未來隨著電源管理技術的進步，互聯家居領域將迎來眾多創新，催生更加智能的傳感器。 作者簡介 Frederik Dostal是一名擁有20多年行業經驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現場應用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，進而積累了不少經驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開關模式電源產品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產品線和歐洲技術支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。 |
