智能家電電源電路設(shè)計圖解析 —電路圖天天讀（233）

　　智能家電

　　構(gòu)成IoT的另一類東西是家電。很多時候，正是通過IoT，我們才能智能控制我們的洗衣機、冰箱等。傳統(tǒng)上，我們認為只需將它們連接到電網(wǎng)上，設(shè)置一些信息，它們就能開始工作。在洗衣機的例子中，當周期完成時它可能會發(fā)出提示音，但僅此而已。然而，現(xiàn)今的聯(lián)網(wǎng)型家電卻能補考提示音即可給您提供信息。這會給電源設(shè)計人員帶來什么樣的影響呢？

　　這些家電原來只在有任務(wù)要執(zhí)行時才開啟，現(xiàn)在需要始終保持開啟狀態(tài)，或者至少一些功能必須始終保持開啟狀態(tài)。為了給這些一直處于開啟狀態(tài)的功能有效供電。這種新要求增加了電源設(shè)計人員的任務(wù)。由于這些設(shè)備需要較大的功率來完成其任務(wù)，因此在大多數(shù)情況下它們被連接到電網(wǎng)，這樣就不再需要進行能量收集。然而，因為它們一直處于開啟狀態(tài)，所以靜態(tài)功耗和效率對新連接功能而言至關(guān)重要。很多時候，這些連接功能是以無線方式執(zhí)行的，并且與本地網(wǎng)絡(luò)進行通信。這將功率水平要求設(shè)置得低于10W。用AC/DC反激式解決方案一般可達到這種低功率水平。有許多集成的反激式解決方案可供選擇，但這種特殊的應(yīng)用有其自己的要求。圖1展示了這樣一個電源解決方案的例子，以滿足連接到IoT的需要。

　　圖1. 適用于家電連接的低功耗AC/DC解決方案

　　圖1的反激式例子有幾個主要特性。首先是它具有非常低的待機功耗，小于30mW。由于連接必須始終處于準備就緒狀態(tài)，即使家電處于空閑狀態(tài)。所以，低功耗就尤為重要。另一個方面是低電磁干擾（EMI），因為該設(shè)備很多時候?qū)闊o線通信電路供電。在這個例子中，控制器采用谷值開關(guān)和頻率抖動來幫助減少 EMI。

　　另一個方面是電源解決方案的尺寸。尺寸本身通常不是問題，關(guān)鍵看尺寸如何影響最終成本。IoT是一項振奮人心的技術(shù)，能讓洗衣機告訴您衣服已洗好待烘干，或讓冰箱通過發(fā)送到您手機上的信息告訴您門沒關(guān)好，但消費者卻不想花不必要的錢。因此該解決方案需要最大限度地降低電源解決方案的成本?？蓪崿F(xiàn)這一目的一種方法是減小尺寸。通過以較高的頻率運行，在這種情況下頻率是115kHz，可實現(xiàn)尺寸的縮減。

　　無線網(wǎng)絡(luò)

　　無線網(wǎng)絡(luò)堪稱能量“貪吃鬼”，是IoT最令人關(guān)注的挑戰(zhàn)之一有很多正在進行的電源設(shè)計開發(fā)工作可幫助解決這個問題。從包絡(luò)跟蹤功率放大器到數(shù)字射頻（RF）功率放大器，一切皆為基站研究和開發(fā)，這樣的例子的確不勝枚舉。鑒于許多基站由電網(wǎng)供電，因此有機會使那種前端功率因數(shù)控制（PFC）電源更高效。圖5展示了一種這樣的方法。這是無橋PFC的功率級。通過除去二極管橋，可使該系統(tǒng)效率更高。有許多不同的無橋PFC拓撲結(jié)構(gòu)，但我們將聚焦連續(xù)導通模式（CCM）推拉輸出電路的版本。

　　這種拓撲結(jié)構(gòu)帶來的好處是減少了組件數(shù)量和并消除了橋接損耗。通過利用氮化鎵（GaN）開關(guān)設(shè)備，我們能進一步提高效率。這些器件（Q3和Q4）可提供更低的柵極損耗，從而允許更高頻率的運行。其它寄生損耗（如Coss）也更低。此外，不存在本征體二極管，所以反向恢復(fù)損耗最小。Q1和Q2在線路頻率下被切換，并且它們可以是硅金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），比單用二極管能減少的損耗更多。

　　無線傳感器

　　無線傳感器通常被放置在接入比較麻煩，或接入費用很昂貴的環(huán)境中。這要求其能量供應(yīng)可持續(xù)很長一段時間，一般 需要超過10年，或無線傳感器能以可靠的方式從所處環(huán)境中獲取能量。因此，這要求電源管理解決方案必須能實現(xiàn)這樣的目標：在能量管理運行期間，非常節(jié)約能 耗。無線傳感器還具有非常高的峰值對均值功率比，在某些情況下大于100。

　　圖2展示了無線傳感器各種功率模式的例子。在這個例子中，傳感器大部分時間處于睡眠模式，但可能喚醒進入通信模式以便進行測量 —— 這也能讓系統(tǒng)識別該傳感器是可用的。而在更長的間隔期間，傳感器可向系統(tǒng)提供更多的信息。這種傳輸可能需要更多的能量，因此依賴于所儲存的可用能量。電源 管理解決方案需要能提供所需的峰值功率，同時平均能耗非常少。如果此類系統(tǒng)的環(huán)境能量較低，那么電源管理解決方案必須能采集能量，直到有足夠的能量用于所 需設(shè)施。

　　圖2. 無線傳感器功率分布圖

　　圖3展示了這樣一個系統(tǒng)［2］的實現(xiàn)例子。在這個例子中，最大功率點追蹤（MPPT）是基于MPPT電壓和光伏源開路電壓的比值來實現(xiàn)的。這種 MPPT實現(xiàn)方案可最大限度地降低能耗，同時執(zhí)行MPPT功能。這個例子還集成了能量存儲功能。由于儲能元件的使用壽命非常重要，因此務(wù)必注意不要使該元 件過度充放電。在這個例子中，為最小和最大存儲電壓設(shè)置了電平。

　　圖3. 適用于無線傳感器的能量管理電路圖

　　為了把所儲存的能量水平通知給系統(tǒng)，設(shè)計人員可從外部，主要指的是能給出該通知、VBAT_OK的地方，配置電壓電平。降壓型調(diào)節(jié)器也被集成到解決方 案，以便為系統(tǒng)負載供電。這個完整的系統(tǒng)只有500nA的典型靜態(tài)電流，即使在低電流時也能實現(xiàn)高效率。例如，輸入電流為500mV且充電電流為 100uA時，升壓型轉(zhuǎn)換器的效率可大于70％。

　　編輯點評：以上是對智能家電的電源電路進行了一系列的解析，在某些情況下，處理技術(shù)能使高電壓組件集成低電壓控制功能。這對于電源設(shè)計人員來說是一個很好的體驗，為電源設(shè)計人員帶來了許多新挑戰(zhàn)。
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