高效电源架构，适用于智能门锁，无电池灯开关和无线传感器

大家好！ 欢迎大家参加由德州仪器 (TI)和 Element14 主办的楼宇自动化 网络研讨会系列的第二部分，该系列一共 包含四个部分。 今天，我们将讨论 高效电源架构。 我们很高兴邀请到来自德州仪器 (TI) 的 Uwe 和 Oliver进行今天的演示。 请注意，在演示后的问答环节，如果 您有任何问题想要咨询 Uwe 和 Oliver， 请使用 WebEx 屏幕上的问答小程序进行提问。 如有关于 WebEx 本身的任何技术问题， 或者关于Element14 的问题， 请使用聊天功能向 Premier Farnell 网络研讨会发送消息。 稍后，您将在注册时访问的Element14 网络研讨会 登录页面找到该会议的录像 以及相关幻灯片的链接。 请不要忘记参加该网络研讨会系列的其他在线 研讨会。 您可在注册时访问的页面中找到 已经举办的研讨会的链接 以及即将举办的研讨会的注册页面链接； 几分钟后，您还可在此处的聊天窗口中 找到相应内容。 谢谢大家，现在欢迎Uwe 和 Oliver 开始他们精彩的演示。 非常感谢，Dave。 大家好，欢迎参加德州仪器 (TI) 提供的 楼宇自动化网络研讨会 系列的第二部分。 上周，我们在第一部分讨论了 防火安全、楼宇安全和空调系统的关键 子系统块。 在熟悉了电池要求之后， 我们重点关注了系统效率，涉及了 从舒适度控制到 HVAC 系统中的气流控制的问题， 然后探讨了如何采用各种 预测性维护技术来防止发生意外的 系统停机。 您可以在 Element14 网络研讨会网页上回顾上次研讨会的 内容。 我叫 Uwe Fuhrmann，来自弗赖辛的德州仪器 (TI)， 弗赖辛位于德国慕尼黑附近， 在这里，我们将全球开发的重点放在 面向低功耗应用的直流/直流转换器。 今天，我们将重点讨论电源解决方案， 还将了解面向智能门锁、 电池照明开关和无线传感器 节点的高效电源架构。 如今，随着舒适度和系统效率方面的 楼宇智能化水平越来越高， 许多楼宇自动化系统的功能也变得越来越丰富。 因此，作为系统设计人员，您 面临着同时实现持久电池运行时间和 较低成本的挑战。 我们将讨论一些实际示例来说明 在保障可靠电源的同时延长电池寿命，甚至 省去电池是多么 轻而易举。 在我对市场和系统要求进行简短的 介绍之后，我的同事 Oliver 将 更加详细地讨论这些示例。 研讨会结束时，我们将为您提供 有关如何以及在何处 从德州仪器 (TI) 获取更多信息和支持的提示。 最后，正如 David之前提到的， 我们应该可以留出一些问答时间。 现在，我们开始进入正题。显而易见，楼宇自动化系统 电源的要求源于系统要求 和市场要求。 如今，富有创意或不寻常解决方案的 新兴创业公司层出不穷，而这表明 客户，甚至是整个市场都在寻求 集成度更高的智能应用，都在努力实现 增强的可用性和易用性以及 更长的电池运行时间， 当然同时也在兼顾系统成本，于是， 新电源架构的需求便应运而生。 重复使用您在以前的项目中反复使用的内容会限制创新， 也会限制您的新系统在市场上 取得成功。 现在，当讨论楼宇自动化时，只是 为了澄清一下，我们将讨论各种 系统，如门禁、照明控制，正如 我们在这里看到的，火警、安全入侵警报、 在环境中的运动、[听不清] 空调和烟雾探测器都是此类应用。 因为我们无法在本网络研讨会中涵盖所有这些主题， 所以我们仅选择三个案例 -- 在这些案例中，我们认为电源解决方案 示例还可以针对其他多个应用为您提供 一些新思路。 所有这些系统的共同之处在于， 它们通常都使用一个或多个传感器 来监视环境并对一些编程事件做出反应。 这可以是温度、湿度、运动、光 和其他更多事件。 这里传感器的作用类似于您的系统的 输入，而在另一侧， 执行器是输出 --执行器，比如电机 或显示器或某些 LED 指示灯， 或无线射频 [听不清]。 但无论执行器用于什么，它 都可能消耗短暂但相对较高的峰值电流， 总体能源必须能够支持它。 在正常操作期间，当后端控制器 处理某些传感器数据 或需要执行一些系统管理工作时， 所需的电流要低得多。 对于大部分总运行时间而言， 它在许多现代楼宇自动化系统中都 处于睡眠状态。 该周期可自动重复， 具体取决于系统程序， 或者可以从外部进行触发，例如传感器中断或用户 接口。 当然，可以通过不同的措施来满足对极低 功耗的需求。 降低电源电压是一个 解决思路。 不过，寻找降低电流要求的方法可能具有 强得多的积极效果。 您可以考虑使用低功耗微控制器， 例如德州仪器 (TI)提供的 MSP430，或者 使用低功耗无线电芯片，例如 TI 提供的 CC2640。 但此外，计算它的唤醒时间和处理速度 -- 发送数据以及对这些做出反应 -- 可能针对 总体功耗 [听不清]还具有很大的益处。 让我们通过我们的示例传感器和执行器 系统进行快速计算，假设一个周期内的 正常操作花费10 毫秒的时间 并需要 5毫安的电流， 执行器阶段需要25 毫安并且也运行 10 毫秒，待机阶段使用 250 毫安但花费980 毫秒的时间。 因此，该示例中的总时间假设为一秒。 嗯，不出所料，我要说，待机 阶段占用了总体能耗的 一大部分。 现在，想象周期不是一秒，而可能 是一小时或一天。 因此，许多此类用例的解决方案 是搜索满足以下条件的电源：一方面 具有极低的静态电流 -- 尽可能低 -- 但另一方面还提供尽可能高的效率， 不仅在特定的负载条件下， 而且在各种条件下，从高 负载到极低的 负载，都可以提供高效率。 具有这些特征的直流/直流转换器的 一个很好的示例是德州仪器 (TI) 提供的 TPS62740 降压转换器。 它仅有 360 纳安的静态电流，但仍 调节输出电压，并且 在宽负载范围内提供高效率 -- 例如，90% 时仅具有 10 微安的负载。 Oliver 将在几分钟后向您展示一个使用 该器件的示例。 最后但并非最不重要，简短地评论一下灵活性， 或设计满足以下条件的电源有多么 容易：如此处的示例所展示的那样，满足 众多楼宇自动化系统中极低静态电流 和高效率的要求。 例如，具有集成额外功能或额外 特性的电压稳压器可以 使找到最佳且创新的解决方案变得非常容易。 示例包括先前提到的 TPS62740， 除极低的静态电流和宽负载 范围内的高效率之外， 它还可以集成可用于将传感器 或显示器等子系统禁用 一段时间，以便进一步查看电流 消耗和延长电池使用时间的负载开关。 这里显示的下一个示例是 TPS62770。 此外，它还包含一个升压转换器。 因此您有降压转换器、负载 开关和升压转换器。 升压转换器可用作恒定 电流源为 LED 供电， 或用作电压升压稳压器， 输出电压高达 15 伏， 为传感器或显示器[听不清] 供电。 此处列表上的下一项是 TPS61098。 它是升压转换器。 它包含附加的线性稳压器， 用于提供辅助输出电压。 该器件的其他版本包括负载开关， 而不是 [? LEO ?]。再说一次，为了禁用子系统。 该升压转换器TPS61098 的静态 电流被指定为仅有 300 纳安。 该页面中的最后两项，即 TPS61291 升压转换器和 TPS62730 降压 转换器，提供所谓的旁路功能。 该旁路模式允许系统直接 通过电池为负载供电， 并且仅在需要时进行调节 -- 升压或降压。 当需要激活电机或将发生无线传输时， 会发生该情况-- 操作通常需要 高峰值电流，而您实际上 不希望耗尽能源， 即您的电池。 优点是，在正常操作过程中，这是 绝大多数情况，稳压器仅消耗 15 纳安的静态电流。 以上就是我想要介绍的内容。 现在有请我的同事 Oliver，他将为您展示三个楼宇自动化电源 解决方案的示例。 谢谢您，Uwe。 接下来由我进行讲解。 正如我们在先前的幻灯片中看到的， 我们可以为电源架构 选择许多不同的器件。 最后，我们还了解到负载分布 是一个主要影响因素， 并实际上选择了我们可以使用什么电源。 我们尚未涉及电源， 因为，当然，我最终将 使用什么电源管理、什么直流/直流转换器， 无论是 LDO、升压或降压 转换器，实际上取决于电源。 但是，由于我们具有各种输入 和输出，因此我们实际上需要查看 负载分布，并且我们需要查看电源。 根据这两项， 我们将选择最佳的电源。 现在，我们讨论三种不同的情形 或应用，理想情况下是实际 应用，其中我们选择电源，并且 我们将引导您完成选择过程。 第一个示例是我们的智能门锁。 那么，我们在这里有一个此类智能 门锁的原理框图。 我们在这里拥有的是，基本而言，我们需要 有一个自动门锁。 该门锁将由电机进行驱动。 对于该电机，我们有一个电机驱动器。 那么，这就是负载的一部分。 在电源侧，我们现在将在这里 使用四节 AA 电池。 当然，目标是对该门锁 具有相当长的运行时间， 因为我们不希望 在一年后更换电池。 因此我们的目标是使用四节 AA 电池运行五年。 我们在该门锁上还有什么其他东西？ 那么，我们在这里有一个无线电， 在本例中，我们可以在这里使用 Bluetooth 低耗能 无线电，可以通过它发送数据，可以发送到智能手机 -- 因此您可能需要使用您的智能手机 打开或关闭门锁。 您也可以通过控制前部门锁 并监控它们的集中式集线器发送数据。 最后但并非最不重要，我们需要通过一些 LED 指示 门锁的状态。 因此，我们将有一个用于驱动 LED 的 LED 驱动器。 当然，现在该智能门锁的 中心以及我们要讨论的是电源。 那么，在本例中，[? 我 ?] 选择我们 直接通过电池使用电机驱动器 运行电机 --我要说我们 用于运行的计算电源和无线电， 是由该直流/直流转换器生成的稳压 3 伏直流电压。 那么，我们现在为何要转向该解决方案呢？ 让我们更仔细地看一下负载分布， 因为这是我们的电源的关键促成 因素和决策工具。 那么，我们在这里有什么呢？ 我们在这里看到该门锁的运行。 只要我们触发门锁，我们就会重新启动 电机，然后电机或多或少会产生电涌，从而 导致很高的峰值电流。 发生这种情况之后，无线电会发送其数据。 数据将被发送。 然后控制器基本上会进入睡眠模式， 并以很低的静态电流进行监控，理想情况下 只有几微安。 它会一直监控系统，直到门锁再次啮合， [? 此时 ?] 我们从电池得到该强大的 [听不清] 电流。 然后我们发送该数据。 根据一天中事件的数量， 您或多或少会遇到高峰值电流。 但该负载的一般情况是 我们具有单个高峰值电流。 然后，在很长一段时间内， 存在一个非常非常低的微安级 负载电流。 那么，让我们看看我们可以使用的 不同电源架构，然后让我们对其进行 相互比较，以查明什么是最佳解决方案。 那么，在该图中，我们所显示的是， 电池寿命与门锁事件的 数量。 对于蓝色的线，我们使用由电池 供电的直流/直流降压转换器， 它驱动无线电和 MCU。 当我们使用 LDO 时具有相同的情况， 由绿色的线进行表示，我们直接通过电池 再次运行它。 我们以前在大多数时间会看到该器件 处于睡眠模式。 因此，我们希望降压转换器或 LDO 具有相当低的静态电流。 在本例中，我们将具有 400 纳安 静态电流的降压转换器 和具有 35 微安静态电流的 LDO 进行比较。 LDO 原则上受到其效率的限制。 在本例中，我们将四节 AA 电池 全部进行串联，这将导致大约 4.8 伏的电压，它位于 直流/直流转换器的输入侧，因为我们 要将其转换为 3 伏。 因此，即使您使用具有0 静态电流的完美 LDO， 您也不会实现62% 以上的效率。 不过，如果您现在使用降压直流/直流转换器， 您可以实现 90%至 92% 的效率。 因此，在这里，效果要远远好于 LDO。 这是您在这里看到的情况。 这就是与 LDO相比，使用降压 转换器的生命周期要长得多的原因。 现在，如果我们使用LDO -- 它们肯定也在 市场上有售，不是 35 微安的 LDO。 如果您使用1 微安的 LDO， 该绿色的线会进一步向上移动。 一开始您会在这里得到具有低 Iq LDO 的 主要增益，但随着门锁 周期越来越多，LDO 会进一步下降。 因此，直流/直流转换器绝对 是降压转换器，绝对优于 LDO。 另一方面，我们还可以使用升压 转换器，而不是使用直流/直流降压转换器。 因此我们可以彻底改变架构。 我们可以使用两节串联的 电池和两节并联的电池，而不是使用四节串联的电池。 这意味着我们在输出上仅有 大约 2.4 伏的电压。 我们会使用升压转换器 再次生成 3 或 5 伏电压，以便直接通过 升压转换器运行电机 驱动器和微控制器，[听不清] 无线电。 因此，现在我们可以看到，产生的结果就是 您的日志事件极少，使用两节串行 电池的升压转换器解决 方案的运行时间实际上 比降压和 LDO解决方案要长。 但是，一旦您具有更多的门锁事件， 升压转换器解决方案就 绝对不会这么好 [听不清]。 因此，我们可以得出，最佳解决方案绝对是 降压转换器解决方案。 由于系统以极低的 静态电流运行很长的时间， 因此我们实际上希望拥有一个具有低静态 电流的降压转换器。 因此，我们选择我们的 TPS62745。 这是 300 毫安的直流/直流降压 转换器，由于在极低的负载下具有 400 纳安的 电流，因此具有极高的效率。 因此，它实际上能够很好地支持这些长时间的 [听不清] 或睡眠时间。 该器件还具有的一个优点是，它具有很宽的输入电压范围， 高达 10 伏。 因此它可以轻松地通过四节电池运行。 不过，该器件还集成了 另一个很好的功能。 那么，因为在大多数系统 [听不清] 中，不同的 系统，对于您的 MCU，您 通常需要监控电池电压。 但对于大多数 MCU，您需要通过电池 或其他电源[? 获取 ?] 电压， 以便连接到MCU 上的 [? IDC ?]。 不过，您不需要在您的电池上 悬挂该 [听不清]以耗尽您的电池。 为此，您实际进行测量时， 您使用隔离开关并且 仅测量或仅连接 [听不清]。 该功能或多或少集成在该降压 转换器中。 因为您无需对此有任何担心，您 省去了这一切复杂的电路， 它已经集成在该 IC 中。 在这里，您可以看到整个应用。 那么，基本而言，在我们的 TI网站上，我们有一个参考设计， 为您提供了一个有关此类智能门锁实现的 很好示例。 您可以更详细地研究该器件的运行。 那么，这就是我们的第一个示例。 让我们转到另一个示例，它基本上 具有完全不同的电源，并且还具有完全不同的 负载分布。 让我们看看我们如何选择这里的电源架构。 那么，在该示例中，我们需要拥有 一个照明开关，但在本例中， 我们需要具有一个无线照明开关。 这意味着我们需要具有一个无线电链路， 该链路连接到一个电灯，或者它可以是 另一个你要打开或关闭的负载，但我们 不希望在您的开关和负载之间使用导线。 因此，这可以为楼宇节省很多成本， 因为您无需在墙中布设导线。 第二，我们不仅仅需要拥有与该开关 相关联的无线电链路。 我们还需要节省维护成本。 因此，我们基本上需要拥有一个无需维护的开关。 因此，我们不能在开关中使用任何电池。 那么，在本例中，我们实际上使用能量收集 装置替代了电池。 在本例中，此处的最佳能量收集装置 是磁收集装置，因为您可以 在每个开关中使用该动能并通过磁收集 装置生成能量，从而为我们提供 足够的能量来向我们的负载、电灯发送信号。 在右侧，您有一个实际 打开和关闭电灯的接收器。 因此，基本而言，该磁收集装置之所以能够运行， 是因为您有一个线圈。 在该线圈中，您移动磁体。 然后您在电感器中感应出一些电压。 我们需要将该电压用于电源架构，这必须 为我们提供足够的电力来发送信号。 在该幻灯片中，我们有该系统的 原理框图。 在左侧，您可以看到生成正弦 波形的磁收集装置。 我们需要有一个整流器。 现在，与前一个系统相比，差异在于 我们现在需要使用一个储能电容器，因为 我们现在拥有的能源具有相当高的阻抗， 该能源无法提供我们实际发送 无线电信号时所需的高峰值电流。 在前面的系统中，我们有四节串联的 电池，它们足够强大， 能够驱动电机。 但在这里，我们拥有不同的系统。 因此，我们需要一个储能电容器。 通过该储能电容器，我们使用一个直流/直流转换器为我们的 无线电链路供电。 让我们更仔细地看看该系统。 左侧是收集装置。 该收集装置为我们的缓冲电容器充电。 因此，在理想情况下，该收集装置能够生成 非常高的电压，尤其是如果您在您的电感器 周围使用大量的 [? 绕组 ?]。 如果您现在看看我们能够存储 在电容器中的能量，我们可以 使用该公式。 您已经看到了，电容器上的 电压将进入 [听不清]。 这意味着为电容器充电的 电压越高，您在该电容器中 获得的能量就越高。 但您不仅仅需要将该电容器充电至 高电压以便在该电容器中获得高能量。 当然，您还需要将您的电容器 放电至相当低的电压，以便提取所有能量。 因此，这意味着您再次需要具有 相当宽的输入电压的直流/直流转换器， 理想情况下您实际将您的缓冲电容器 放电到低至3 伏、2 伏或 类似的值。 现在，问题可能变为我们现在 是否在轻负载的情况下需要高效率， 或者我们是否能够仅使用常规直流/直流转换器？ 为了回答该问题，我们需要查看我们的负载分布。 那么，现在负载分布是完全不同的。 那么，当您激活开关时， 您只需要更高的功率。 当开关未激活时， MCU 处于关闭状态。 前端处于关闭状态，一切都处于关闭模式。 仅当您激活您的开关时， 收集装置才会生成电能。 我们将其存储起来。 我们激活 MCU。 我们激活射频前端并发送数据。 这意味着由于在开关事件期间我们没有电能， 因此直流/直流转换器也就不需要极低的 静态电流。 因此它可以处于几微安的中等范围， 而不是以前的纳安级。 所以，在本例中，我们使用 62120。 相当宽的输入范围，非常好 -- 这家伙的 操作低至 2 伏。 那么，我们实际上可以对该缓冲电容器进行 放电，以几乎 95%、96% 的效率运行。 这实际上取决于输出电压。 这家伙具有大约 11微安的静态电流。 因此，虽然它并没有非常低端， 但它也不会快速地将您的超级电容放电。 好的，您已经看到电源架构 是不同的，并且器件相当不同， 具体取决于应用。 让我们来看看最后一个示例。 现在，让我们看看无线传感器节点。 我们在这里演示了一个版本，它能够 轻松表示无线传感器负载。 在这种情况下，我们所做的是，我们在这里有一个骰子。 基本而言，您可以掷您的骰子。 我们将在笔记本电脑上看到数字，即我们掷出的 结果。 那么，您可以在该幻灯片上看到实际的实现。 当然，基本而言，在该骰子内部， 我们有电路。 我们现在使用太阳能电池作为电源。 我们有一个具有该[? 尺寸 ?] 的运动传感器。 运动传感器向我们发送骰子的位置。 然后，利用连接到 PC 的链路，我们从骰子发送数据。 当然，该太阳能电池现在可以为完全 不同类型的传感器供电。 您可以有一个连接到您的智能手机或集线器的 无线链路，用于发送您的无线节点的位置 或状态，您可以将该无线节点放置在 楼宇中的任何位置。 那么，现在让我们看一看架构。 让我们看看电源，然后再次看看 负载分布，以便确定合适的电源 架构。 那么，在左侧，我们有太阳能电池。 在这种情况下，太阳能电池通常生成 4.7 伏的电压。 我们有直流/直流转换器。 在这里，我们有 MCU，它具有用于发送 数据的集成无线电。 如果您考虑不同的无线节点，我们现在 可以有连接到MCU 的不同传感器。 在本例中，我们使用加速度传感器。 正如您再次在这里看到的，在本例中， 利用我们的 MCU，我们发送太阳能电池上的电压。 但再说一次，理想情况下，当您不发送电压时， 您需要再次断开 [听不清] 分频器。 现在，让我们看一下电源。 太阳能电池通常是弱电源， 并具有相当高的阻抗。 电源仅有一个最佳操作区域， 您可以在其中提取该太阳能电池的高功率。 不过，另一方面，您需要发送数据。 因此，我们再次需要高峰值电流。 对于剩余的时间，该时间可能 更长或更短，具体取决于您希望 将数据从无线传感器传输到 集线器的频率 --在大部分时间， 您的系统可能处于睡眠模式， 仅需要 2、3、4、5微安的负载电流。 因此，我们再次使用超级电容或使用缓冲 电容器。 我们需要尽可能低地对该缓冲电容器进行 放电。 但另一方面，我们有很长的 睡眠时间，在此期间我们仅需要为 MCU 供电。 因此，我们需要的是输入电压范围 低至很低电压的直流/直流转换器。 但我们还需要有在理想情况下低于 1 微安的静态电流， 因为我们需要[听不清] 所有睡眠时间。 这就是我们选择 62740 的原因。 它仅消耗 360 纳安，所以是理想之选。 凭借 2 伏到6 伏的电压 范围，它成为该应用的理想之选。 结合还集成了无线电链路的 低功耗 MCU，我们可以 发送数据。 此外，该 MCU 仅需要 5 微安， 甚至仅 2 微安，具体取决于 运行模式，可以由直流/直流转换器 非常高效地为其供电。 简单总结一下 -- 我们可以看到我们在现场 使用的 MCU、我们在现场使用的 传感器，以越来越低的 负载电流运行。 因此，为了对该市场需求做出反应，我们 需要以低于 5 或 10微安的静态电流运行的 新直流/直流转换器。 通过 62740 和 62745，我们实际上 向您介绍并提供了两种用于该市场的 工具，您实际上可以通过它们 以非常低的静态电流为您的系统供电。 我的部分到此结束，现在有请 Uwe 来结束本次研讨会，并与大家分享多种不同的工具。 非常感谢您，Oliver。 我认为这些应用和示例 非常有趣。 再次谢谢您。 那么，如果您现在渴望实现自己的想法，而且 希望了解德州仪器 (TI)如何进一步支持您 找到适用于您的电源的出色解决方案， 以下就是我们可以提供的支持。 您可以访问 ti.com/powerlab找到 PowerLab。 PowerLab 为您提供了 1,000 多个经过测试的电源示例。 这可以极大地缩短您的开发时间。 也许几年前您就已经知道 WEBENCH 设计中心， 但您可能并不了解我们在过去 一两年中取得的改进 以及新增的功能。 除了经典的组件选择和比较、 电路仿真和测试报告，现在还提供了 [听不清]仿真、 特殊的传感器开发环境，以及其他 多种新功能。 立即尝试一下吧。 此外，您还可以通过 E2E 论坛 直接联系 TI 的电源专家。 E2E 表示“工程师对工程师”。 您可以在论坛中 提出有关电子开发的 各种技术问题。 如果您需要迅速找到有关如何应对您面临的楼宇自动化挑战的 解决方案或新思路， 您可以通过网络 访问我们围绕相关主题编制的 TI Designs 列表。 TI Designs 通常包括原理图、方框图 布局、[听不清]文件、完整的 物料清单、测试报告、说明等等。 可供您免费下载。 其中一个例子便是Oliver 谈到电源时 展示的 TI 智能锁参考设计 TIDA-00757。 不过，当然，如你所知，这一完整解决方案所包含的内容 远不止此。 要查找 TI Designs，只需直接访问 ti.com/BuildingAutomation，然后单击“Reference Designs”（参考设计）； 或访问 ti.com，选择“Applications and Designs” （应用与设计），然后转到“Building Automation”（楼宇自动化）。 好的，我想现在我们还有几分钟时间 可以解答您的问题。 请使用 webapp 系统上的聊天功能