如何優(yōu)化樓宇和家居自動化設計以提高能效

開發(fā)樓宇自動化產品時，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。

簡介

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生費用。

隨著物聯(lián)網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。

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》 。

圖 1.永久分相式電容器電機與電子換向電機。

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。

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?，延長了電池壽命，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)境數據和傳感器狀況，而且無需使用線路供電。

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。

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。

圖 3.高能效門位置傳感方框圖。

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。

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 4.低功耗 PIR 傳感器模擬前端。

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?？梢詾?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。

圖 5.無線環(huán)境傳感器以及納瓦級計時器和負載開關。

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