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作者：Brian Dempsey 系統(tǒng)設計工程師 德州儀器 (TI) 簡介 開發(fā)樓宇自動化產(chǎn)品時，能效是其中非常重要的設計考量因素之一。使用單節(jié)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(xù) 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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)品。此外，使用傳感器和智能器件 改造現(xiàn)有住宅、商業(yè)和工業(yè)等區(qū)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(shù)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(chǎn)生費用。 隨著物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng) 中的個別組件故障，還能通過毫米波雷達監(jiān)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(xiàn)性能平衡，還要為設計建立準確 的穩(wěn)態(tài)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(xiàn)了一些功能，從而 提高了整體效率。 
圖 1.永久分相式電容器電機與電子換向電機。 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(tǒng)都要進行這方面的考量。例如， 在暖通空調 (HVAC) 行業(yè)，美國能源部 (DOE) 為 了最大程度降低效率額定值（稱為“季節(jié)能效比”） ，制定了更加嚴格的法規(guī)。這些法規(guī)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(xiàn)成為大多數(shù)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(jié)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(chǎn)品設計和能效 方面有許多體現(xiàn)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(jiān)控市場 預計增長約 5%（來源-Omdia，“工業(yè)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(yōu)化安防和視頻監(jiān)控設備的效率。
圖 2.Omida,“工業(yè)半導體市場追蹤報告”。德州儀器 (TI) 不對此承擔任何責任。第三方獨立承擔所有后果。 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(xù)的線路供電可以顯著提高成本效益。 人們?yōu)榱四芴岣吣苄В娱L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(huán)境數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù) 量，可實現(xiàn) <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(tài)，只有在檢測到移動時 才消耗電能，因此性能優(yōu)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(tǒng)。 PIR 應用需要在 PIR 傳感器的輸出端提供經(jīng)過放大 和濾波的信號，以使進入信號鏈后續(xù)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(tǒng)的噪聲帶 寬。濾波功能還會設置系統(tǒng)在檢測移動時的最低和 最高速度限值。
圖 3.高能效門位置傳感方框圖。
圖 4.低功耗 PIR 傳感器模擬前端。 優(yōu)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(tài)。 圖 5 是適用于住宅和商業(yè)環(huán)境的簡單低功耗無線 環(huán)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。可以 為 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(chuàng)新都基于數(shù)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(shù)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。 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，供智能鎖使 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(fā)電，隨后電能經(jīng)過整流和調節(jié)，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。
圖 5.無線環(huán)境傳感器以及納瓦級計時器和負載開關。
圖 6.門把手能量收集測試設置。
圖 7.門把手能量收集電源路徑示例。 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(tǒng)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(fā)電機收集 能量。圖 8 顯示了這種電源架構的輸出功率。
圖 8.使用 DRV8847 進行整流。 有很多其他的 TI 產(chǎn)品和設計滿足能量收集的工業(yè) 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(chǎn)生能量。另一個很好的示例是《低于 1GHz 網(wǎng)絡的能量收集環(huán)境光和環(huán)境傳感器節(jié)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(fā)電能量為系統(tǒng)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。
圖 9.能量收集門把手的輸出電壓。 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(fā)出的命令、監(jiān)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(jīng)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(shù)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(chǎn)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。
圖 10.進行能量收集的門把手位置傳感器的示例方框圖。 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。可以使用一個運算放大器來 比較此電壓，也可以利用一個超低功耗模數(shù)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。
圖 11.門栓位置感應。 結論 新技術要想取代成熟但技術含量低的現(xiàn)有技術，通 常需要具備明顯的優(yōu)勢而且不會造成任何嚴重負 擔。超低功耗的實現(xiàn)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(shù)據(jù)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?shù)谝淮?池最終被淘汰之后，這些創(chuàng)創(chuàng)新的漣漪效應會持續(xù)很 長時間。 |
