德州儀器：提高樓宇/家居自動化能效的優(yōu)化設(shè)計方案

開發(fā)樓宇自動化產(chǎn)品時，能效是其中非常重要的設(shè)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(jìn)展。我們首先了解一下納瓦級集成電路 （IC） 如何增強(qiáng)功能和降低功耗，以及近期的各種進(jìn)展如何實(shí)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(yuǎn)程無線智能樓宇傳感器中使用的標(biāo)準(zhǔn) CR2032 紐扣電池在10 年內(nèi)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(shè)計人員需要在設(shè)計時減小電池和電源的空間，他們得以構(gòu)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(hù)產(chǎn)生費(fèi)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用在樓宇自動化中的快速推廣，人們開始關(guān)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(dá)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(xiàng)、重要性和未來趨勢

在能效方面，設(shè)計工程師需要考慮很多因素，他們必須在功能、電池預(yù)期壽命和電路板各器件的平均電流消耗之間實(shí)現(xiàn)性能平衡，還要為設(shè)計建立準(zhǔn)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(shè)計中非常巧妙地實(shí)現(xiàn)了一些功能，從而提高了整體效率。

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(jìn)行這方面的考量。例如，在暖通空調(diào) （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(yán)格的法規(guī)。這些法規(guī)繼而導(dǎo)致永久分相式電容器電機(jī)迅速被電子換向電機(jī)取代，后者現(xiàn)成為大多數(shù)制造商下一代 HVAC 設(shè)備的標(biāo)配。圖 1 對上述兩種電機(jī)進(jìn)行了比較。DOE 認(rèn)為，盡管消費(fèi)者承擔(dān)了上述更昂貴電機(jī)的初始成本，但電子換向電機(jī)實(shí)際上顯著提高了能效，因此可快速獲得技術(shù)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(fèi)用。如需進(jìn)行高效電子換向電機(jī)設(shè)計，建議先參閱《具有BOM 低成本、適用于 HVAC 風(fēng)機(jī)的 TI 電子換向電機(jī)參考設(shè)計》。下文具體介紹了有關(guān)樓宇自動化時下流行的電池供電應(yīng)用領(lǐng)域 - 樓宇安全，超低功耗產(chǎn)品設(shè)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(yù)計增長約 5%（來源-Omdia，“工業(yè)半導(dǎo)體市場追蹤報告”，2020 年*）。這一增長將不可避免地促使相關(guān)方不斷優(yōu)化安防和視頻監(jiān)控設(shè)備的效率。

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(yuǎn)程傳感器能夠在比以往更長的時間內(nèi)，傳遞實(shí)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(shè)計難題在樓宇安全應(yīng)用中，霍爾效應(yīng)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(jié)合使用兩個DRV5055 傳感器，即可實(shí)現(xiàn)二維位置檢測。通過這種高級感應(yīng)法，以及所用的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量，可實(shí)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(yīng)開關(guān)，可一次性檢測磁場移動。另一款納瓦級霍爾效應(yīng)傳感器 DRV5032，采用圖 3 所示的設(shè)置來檢測閉門器擺臂的旋轉(zhuǎn)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(yán)苛的DRV5055 傳感器。將霍爾效應(yīng)開關(guān)與超低功耗負(fù)載開關(guān)配合使用時，可切斷來自 DRV5055 傳感器的電源，需要 DRV5055 傳感器進(jìn)行角度感應(yīng)時除外。

下頁圖 4 顯示了另一個低功耗高能效應(yīng)用，此應(yīng)用使用 320nA 的 TLV8802 運(yùn)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(yīng)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(jìn)入信號鏈后續(xù)各級的信號振幅足夠大，進(jìn)而提供有用的信息。PIR 傳感器檢測遠(yuǎn)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(dá)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(shè)置系統(tǒng)在檢測移動時的最低和最高速度限值。

優(yōu)化設(shè)計以提高能效的另一種方法是將納瓦級計時器和負(fù)載開關(guān)結(jié)合使用，將功耗更高的器件甚至微控制器 （MCU） 斷電，讓它們進(jìn)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(dāng)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(dāng)納瓦級計時器關(guān)閉負(fù)載開關(guān)之后，會切斷來自 HDC2080 的電源，從而大幅降低能耗?？梢詾?TPL5111 設(shè)置一個寬時間范圍，這樣可以在將輪詢頻率設(shè)置為高延遲值時降低更多功耗。樓宇自動化的能量收集當(dāng)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(shè)計，但這些組件會消耗由光能（光伏）、移動或無線射頻能量轉(zhuǎn)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(shè)計結(jié)合使用時，可以將遠(yuǎn)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(jié)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(yīng)用：門把手

轉(zhuǎn)動門把手即可輕松收集額外的能量，供智能鎖使用。當(dāng)與電機(jī)結(jié)合使用時，電機(jī)軸可與減速齒輪集成，將門把手的慢速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為電機(jī)的更高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使電機(jī)發(fā)電，隨后電能經(jīng)過整流和調(diào)節(jié)，可在超級電容器內(nèi)存儲。圖 6 顯示了一種可能的設(shè)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 7 顯示了用于將門把手的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為存儲能量的完整電源路徑。此電源路徑具有兩個負(fù)載開關(guān)，當(dāng)超級電容器上的能量足夠高、能夠?yàn)橄到y(tǒng)供電或?yàn)殡姵爻潆娞峁┠茉磿r，可減少電池負(fù)載。DRV8847 雙路 H 橋電機(jī)驅(qū)動器可以從發(fā)電機(jī)收集能量。圖 8 顯示了這種電源架構(gòu)的輸出功率。

有很多其他的 TI 產(chǎn)品和設(shè)計滿足能量收集的工業(yè)需求，例如《無線開關(guān)電源能量收集參考設(shè)計》，此設(shè)計利用一個零點(diǎn)頻率能量收集開關(guān)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(luò)的能量收集環(huán)境光和環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)參考設(shè)計》，此設(shè)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(jī)輸出有源整流。

高能效設(shè)計的一個示例

智能家居設(shè)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(quán)用戶發(fā)出的命令、監(jiān)控走廊并在無人工干預(yù)的情況下操縱門鎖。但如果電池壽命和維護(hù)經(jīng)常干擾智能鎖的正常運(yùn)行，智能鎖將無法獲得主流標(biāo)準(zhǔn)鎖/鑰機(jī)制的認(rèn)可。高能效設(shè)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(nèi)，而且門完全關(guān)閉。當(dāng)用戶從內(nèi)側(cè)打開閂鎖旋轉(zhuǎn)門栓時，會產(chǎn)生少許能量，這些能量在被收集后可在遠(yuǎn)程鎖門時用于驗(yàn)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。

在門框一側(cè)有一個簡單的嵌件，可以安裝在門栓板的背面。這些觸點(diǎn)的內(nèi)部有一個特殊電阻值，它會在觸點(diǎn)之間提供壓降。可以使用一個運(yùn)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(zhuǎn)換器來測量輸出電壓以進(jìn)一步提高精度或防止篡改。當(dāng) MCU 驗(yàn)證了輸出值之后，它會通過負(fù)載開關(guān)切斷為負(fù)載提供的電源，以最大限度降低功耗（在關(guān)斷模式下 ≤2nA）。由于外設(shè)的無源性質(zhì)，這種設(shè)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(xì)地概述了門栓位置感應(yīng)應(yīng)用。

結(jié)論

新技術(shù)要想取代成熟但技術(shù)含量低的現(xiàn)有技術(shù)，通常需要具備明顯的優(yōu)勢而且不會造成任何嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。超低功耗的實(shí)現(xiàn)不僅提高了便利性，還提供了幾乎無需維護(hù)的先進(jìn)技術(shù)，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(shù)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(dāng)?shù)谝淮姵刈罱K被淘汰之后，這些創(chuàng)新的漣漪效應(yīng)會持續(xù)很長時間。