智能家电电源电路设计图分析-每天阅读的电路图（233）

智能家电

构成物联网的另一种类型是家用电器. 很多时候，通过IoT，我们可以智能地控制洗衣机，冰箱等. 传统上，我们认为它们可以简单地通过将它们连接到网格并设置一些信息来开始工作. 在洗衣机的示例中，当循环完成时，它可能会发出提醒智能电路设计，但仅此而已. 但是，当今的联网设备可以为您提供有关补货色调的信息. 这将对电源设计人员产生什么影响？

这些设备仅在有任务要执行时才打开，但是现在它们必须一直保持打开状态，或者至少必须一直保持某些功能. 为了有效地为这些常开功能供电. 这项新要求增加了电源设计人员的任务. 由于这些设备需要更多的功率来完成其任务，因此在大多数情况下，它们已连接至电网，因此不再需要收集能量. 但是，由于它们始终处于打开状态，因此静态功耗和效率对于新的连接功能至关重要. 很多时候，这些连接功能是无线执行的，并与局域网通信. 这将功率要求设置为低于10W. 通常使用AC / DC反激解决方案可实现这种低功率水平. 有许多集成的反激解决方案可供选择，但是此特定应用程序有其自己的要求. 图1显示了这样一种电源解决方案的示例，可以满足连接到IoT的需求.

图1.适用于家用电器连接的低功率AC / DC解决方案

图1的反激示例具有几个主要功能. 首先是它具有非常低的待机功耗，不到30mW. 因为即使设备处于空闲状态，连接也必须始终处于就绪状态. 因此，低功耗特别重要. 另一方面是低电磁干扰（EMI），因为该设备将经常为无线通信电路供电. 在此示例中，控制器使用谷底开关和频率抖动来帮助降低EMI.

另一方面是电源解决方案的大小. 尺寸本身通常不是问题，它取决于尺寸如何影响最终成本. 物联网是一项令人兴奋的技术，它使洗衣机可以告诉您衣服已经准备好干了，或者让冰箱通过发送给您的手机的信息告诉您门没有关上，但消费者不想花不必要的钱. 因此，该解决方案需要最小化电源解决方案的成本. 实现此目的的一种方法是减小尺寸. 通过以更高的频率（在这种情况下为115kHz）运行，可以减小尺寸.

无线网络

无线网络可以称为能源的“贪吃者”，并且是物联网最有趣的挑战之一. 有许多正在进行的电源设计开发可以帮助解决此问题. 从包络跟踪功率放大器到数字射频（RF）功率放大器，一切都由基站进行研究和开发. 确实有很多例子. 鉴于许多基站都由电网供电，因此有机会提高这种类型的前端功率因数控制（PFC）电源的效率. 图5显示了一种这样的方法. 这是无桥PFC的功率电平. 通过去除二极管电桥，可以使系统效率更高. 无桥PFC拓扑有很多，但我们将重点介绍推挽输出电路的连续传导模式（CCM）版本.

此拓扑的优点在于，它减少了组件数量并消除了桥损耗. 通过使用氮化镓（GaN）开关设备智能电路设计，我们可以进一步提高效率. 这些器件（Q3和Q4）提供较低的栅极损耗，从而允许更高的频率工作. 其他寄生损耗（例如Coss）也较低. 此外，由于没有本征二极管，因此反向恢复损耗很小. Q1和Q2以线路频率进行开关，它们可以是金属硅氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），与一次性二极管相比，它们可以减少更多的损耗.

无线传感器

无线传感器通常放置在访问麻烦或昂贵的环境中. 这就要求其能量供应可以持续很长时间，通常超过10年，或者无线传感器必须以可靠的方式从其环境中获取能量. 因此，这要求电源管理解决方案必须能够实现这样的目标: 在能源管理操作期间，它非常节能. 无线传感器还具有很高的峰均功率比，在某些情况下会大于100.

图2显示了无线传感器的各种电源模式的示例. 在此示例中，传感器大部分时间处于睡眠模式，但可能会唤醒以进入通信模式以进行测量-这还使系统能够识别出传感器可用. 在较长的时间间隔内，传感器可以为系统提供更多信息. 这种传输可能需要更多的能量，因此取决于存储的可用能量. 电源管理解决方案需要能够提供所需的峰值功率，同时平均能耗非常低. 如果此类系统的环境能量较低，那么电源管理解决方案必须能够收集能量，直到有足够的能量来满足所需的设施为止.

图2.无线传感器的功率分配图

图3显示了这种系统的一个实现示例[2]. 在此示例中，最大功率点跟踪（MPPT）基于MPPT电压与光伏电源的开路电压之比. 该MPPT实现方案可以在执行MPPT功能时将能耗降至最低. 该示例还集成了能量存储. 由于储能元件的使用寿命非常重要，因此必须注意不要过度充电和放电. 在此示例中，为最小和最大存储电压设置了电平.

图3.适用于无线传感器的能量管理电路图

为了通知系统存储的能量水平，设计人员可以在外部配置电压水平，主要是在可以给出通知和VBAT_OK的位置. 降压稳压​​器也集成到解决方案中，以为系统负载供电. 这个完整的系统仅具有500nA的典型静态电流，即使在低电流下也可以实现高效率. 例如，当输入电流为500mV且充电电流为100uA时，升压转换器的效率可以大于70％.

编者的评论: 以上是对智能家电电源电路的一系列分析. 在某些情况下，处理技术可以使高压组件集成低压控制功能. 这对电源设计人员来说是一个很好的经验，并且给电源设计人员带来了许多新的挑战.

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