通過nanoPower技術(shù)讓智能能源更加智能

在2011年，我們看到了圍繞智能能源的很多興奮。例如，北美的公用事業(yè)公司正忙于安裝智能電表。在巴西，該國的電力監(jiān)管機(jī)構(gòu) Agencia Nacional de Energia Eletrica 呼吁為該國建造一個(gè)完整的智能電表，這引起了極大的興奮。在歐洲，一些公用事業(yè)公司正在創(chuàng)造自己獨(dú)特的方式來通過智能電表進(jìn)行通信。

當(dāng)時(shí)引起了更多轟動，許多公司都在推廣家庭局域網(wǎng) （HAN） 解決方案。周圍有令人興奮的愿景，包括每臺洗衣機(jī)、烘干機(jī)、冰箱……甚至燈泡上的能量測量裝置。每個(gè)設(shè)備都可以通過 ZigBee、藍(lán)牙或其他低功耗、短距離通信協(xié)議方便地與家庭路由器通信。

時(shí)至今日，北美大部分地區(qū)以及歐洲和亞洲的許多國家都安裝了智能電表。公用事業(yè)公司正在監(jiān)控電力使用情況。他們還省去了一些抄表員，因?yàn)槌韱T會走遍社區(qū)手動抄表。但是，構(gòu)建完整的智能能源的愿景是不同的。例如，我們并沒有真正測量每個(gè)燈泡上的能量，這可能是由于此類系統(tǒng)的高成本與運(yùn)行一盞燈的能量成本相比。進(jìn)一步降低這種能源成本的是低能耗光源，如緊湊型熒光燈和 LED。也許我們只是在某些粒度級別上最大化了我們對數(shù)據(jù)的需求。然而，這不是應(yīng)該引起絕望的情況。畢竟，雖然智能能源的一個(gè)愿景并沒有成為現(xiàn)實(shí)，

以咖啡為例。十年前，北美的大多數(shù)人和餐館通常會在玻璃或陶瓷壺中煮咖啡，然后將其放在燃燒器上以保持溫暖。那個(gè)燃燒器不僅消耗能量，而且還慢慢地煮咖啡，破壞了味道。當(dāng)有人想出將咖啡放入保溫瓶中以保持咖啡熱量的好主意時(shí)，喝咖啡的人會欣喜若狂。這一步使咖啡“離線”，因?yàn)樗辉龠B接到電網(wǎng)。結(jié)果，咖啡制作消耗更少的能量，并產(chǎn)生更好的味道。這是智能能源的一個(gè)很好的例子嗎？

咖啡示例與工程系統(tǒng)的其他概念相似，這些概念既能最大限度地提高性能又能節(jié)省能源。一個(gè)巨大的進(jìn)步是 nanoPower 技術(shù)，其中某些部件的電流消耗處于靜止?fàn)顟B(tài) - 不運(yùn)行，但也沒有完全關(guān)閉。較新的產(chǎn)品利用先進(jìn)的模擬 CMOS 工藝技術(shù)，以極小到幾乎無法測量的納安電流運(yùn)行。這些系統(tǒng)具有兩個(gè)主要的節(jié)能優(yōu)勢：首先是循環(huán)工作，其次是分散功耗架構(gòu)。接下來，讓我們看一些提供 nanoPower 技術(shù)優(yōu)勢的器件和電路示例。

煙霧探測器是最早的物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備之一。通常，它們預(yù)計(jì)可以使用電池運(yùn)行 10 年，支持在停電期間不經(jīng)常更換電池和運(yùn)行。圖 1 顯示了典型的現(xiàn)代煙霧報(bào)警器的框圖，該報(bào)警器具有電池、多個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器、微控制器、RF 通信、傳感器（可能是各種架構(gòu)）和壓電蜂鳴器。表 1 是基于現(xiàn)代組件的每個(gè)模塊的電流消耗示例值。在光學(xué)煙霧傳感器的情況下，運(yùn)行 LED 的峰值電流將在 mA 范圍內(nèi)，但平均下降，因?yàn)?LED 通常以相對不頻繁的速度循環(huán)進(jìn)入。在大多數(shù)警報(bào)中，有源電路可能僅在 0.05% 的時(shí)間內(nèi)對空氣進(jìn)行采樣。因此，在 99.95% 的時(shí)間里，系統(tǒng)以靜止模式運(yùn)行。剔除可能具有完全不同占空比的射頻電路，全功率模式下的主電路將消耗 11mA。在靜態(tài)期間，主電路將消耗 5.5μA。因此，有源電路每秒消耗的平均電流為11mA X 0.0005 = 5.5μA，也就是說平均電流消耗為11μA。請注意，任何超過 1 μA 的靜態(tài)電流都會開始影響系統(tǒng)電池壽命。因此，在 10μA 電流消耗范圍內(nèi)，每增加 1μA 電流會影響 1500mAhr 電池壽命一年。這意味著平均電流消耗為 11μA。請注意，任何超過 1 μA 的靜態(tài)電流都會開始影響系統(tǒng)電池壽命。因此，在 10μA 電流消耗范圍內(nèi)，每增加 1μA 電流會影響 1500mAhr 電池壽命一年。這意味著平均電流消耗為 11μA。請注意，任何超過 1 μA 的靜態(tài)電流都會開始影響系統(tǒng)電池壽命。因此，在 10μA 電流消耗范圍內(nèi)，每增加一個(gè) μA 電流會影響 1500mAhr 電池壽命一年。

圖 1. 典型的現(xiàn)代煙霧探測器框圖

*DC/DC 功耗基于 50mA 輸出電流，效率約為 77%。

nanoPower 技術(shù)還可以通過關(guān)閉系統(tǒng)內(nèi)的電路來提供優(yōu)勢。在這種類型的架構(gòu)中，電池監(jiān)控和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等關(guān)鍵組件保持運(yùn)行。微控制器和射頻電路等主要耗電設(shè)備要么關(guān)閉，要么進(jìn)入最低功耗模式。圖 2 中的電路顯示了一個(gè)用于監(jiān)控電池電壓的 nanoPower 窗口比較器。比較器提供有價(jià)值的安全功能，僅在電池高于或低于允許電壓時(shí)發(fā)送警報(bào)。系統(tǒng)微控制器不必運(yùn)行，除非它收到來自比較器的警報(bào)，比較器以 900nA 的典型電流運(yùn)行。從本質(zhì)上講，這變成了一種智能能源架構(gòu)：它盡可能地節(jié)省能源，

圖 2. 監(jiān)控電池電壓的 nanoPower 窗口比較器

展示 nanoPower 技術(shù)優(yōu)勢的最后一個(gè)示例是來自壁式電源或電池的電源，通常稱為 ORing 二極管電源。在此類電源中，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人員會將肖特基二極管與電池電源串聯(lián)。這種方法限制了電壓降，因此限制了二極管上的功率損耗，同時(shí)仍然保護(hù)了電路。例如，新型MAX40200 理想二極管電流開關(guān)在承載 1A 電流時(shí)下降低至 85mV，而在承載 500mA 電流時(shí)下降通常為 43mV。這種性能是典型肖特基二極管的兩到四倍，巧妙地節(jié)省了數(shù)十到數(shù)百毫瓦的電池電量。

就像我們的咖啡示例一樣，智能能源架構(gòu)正在發(fā)生變化。各種子系統(tǒng)基本上與中央處理器斷開連接并定期檢查，從而大大降低了能源消耗。憑借先進(jìn)的處理和模擬架構(gòu)，這些構(gòu)建模塊現(xiàn)在消耗的功率前所未有地低。然而，新的智能能源運(yùn)動不僅僅是能源測量和通信。新的智能能源包括智能系統(tǒng)架構(gòu)和先進(jìn)的組件，共同提高系統(tǒng)電池壽命和可靠性，并在此過程中解鎖新應(yīng)用。