【導讀】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展。
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(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產(chǎn)生費用。
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(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現(xiàn)性能平衡，還要為設(shè)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(shè)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(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(shù)制造商下一代 HVAC 設(shè)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(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用。
如需進行高效電子換向電機設(shè)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(shè)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(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程傳感器能夠在比以往更長的時間內(nèi)，傳遞實時環(huán)境數(shù)據(jù)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”。
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，以及所用的校準方法和校準點數(shù)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(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)于功耗要求更嚴苛的DRV5055 傳感器。將霍爾效應(yīng)開關(guān)與超低功耗負載開關(guān)配合使用時，可切斷來自 DRV5055 傳感器的電源，需要 DRV5055 傳感器進行角度感應(yīng)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(yīng)用，此應(yīng)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(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(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(guān)閉負載開關(guān)之后，會切斷來自 HDC2080 的電源，從而大幅降低能耗。可以為 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。
圖 5.無線環(huán)境傳感器以及納瓦級計時器和負載開關(guān)。
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