如何優(yōu)化樓宇和家居自動(dòng)化設計以提高能效

開(kāi)發(fā)樓宇自動(dòng)化產(chǎn)品時(shí)，能效是其中非常重要的設計考量因素之一。使用單節紐扣電池供電時(shí)，有些新型無(wú)線(xiàn)智能傳感器可以工作五年以上，有些傳感器甚至能夠持續 10 年或更長(cháng)時(shí)間。在本白皮書(shū)中，我將討論樓宇自動(dòng)化在能效方面的各種進(jìn)展。

簡(jiǎn)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(jìn)展如何實(shí)現低功耗和長(cháng)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(lái)測量。遠程無(wú)線(xiàn)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(guò)去兩年間推向大眾市場(chǎng)的納瓦級組件，其所需電流比上一代產(chǎn)品的一半還要低。由于設計人員需要在設計時(shí)減小電池和電源的空間，他們得以構建出更小的產(chǎn)品。此外，使用傳感器和智能器件改造現有住宅、商業(yè)和工業(yè)等區域時(shí)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(wú)需使用電線(xiàn)，也無(wú)需為更換電池編制例行維護產(chǎn)生費用。

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應用在樓宇自動(dòng)化中的快速推廣，人們開(kāi)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中的個(gè)別組件故障，還能通過(guò)毫米波雷達監控人類(lèi)的健康和舒適程度。

樓宇自動(dòng)化的能效：注意事項、重要性和未來(lái)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(shí)現性能平衡，還要為設計建立準確的穩態(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(shí)現了一些功能，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(wèn)題，幾乎所有線(xiàn)路供電系統都要進(jìn)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(chēng)為“季節能效比”），制定了更加嚴格的法規。這些法規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(jìn)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(shí)際上顯著(zhù)提高了能效，因此可快速獲得技術(shù)回報 - 到 2030 年，將為美國人節省 90 億美元以上的家庭用電費用。

如需進(jìn)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(fēng)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(guān)樓宇自動(dòng)化時(shí)下流行的電池供電應用領(lǐng)域 - 樓宇安全，超低功耗產(chǎn)品設計和能效方面有許多體現這一趨勢的示例。如下頁(yè)圖 2 中所示，從 2013 年到 2023 年，安防和視頻監控市場(chǎng)預計增長(cháng)約 5%（來(lái)源-Omdia，“工業(yè)半導體市場(chǎng)追蹤報告”，2020 年*）。這一增長(cháng)將不可避免地促使相關(guān)方不斷優(yōu)化安防和視頻監控設備的效率。

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(shí)斷時(shí)續的線(xiàn)路供電可以顯著(zhù)提高成本效益。人們?yōu)榱四芴岣吣苄?，延長(cháng)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(cháng)的時(shí)間內，傳遞實(shí)時(shí)環(huán)境數據和傳感器狀況，而且無(wú)需使用線(xiàn)路供電。

圖 2.Omida,“工業(yè)半導體市場(chǎng)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(mén)窗上的低成本磁鐵檢測到磁場(chǎng)變化。

與 DRV5055 角度評估模塊一樣，結合使用兩個(gè) DRV5055 傳感器，即可實(shí)現二維位置檢測。通過(guò)這種高級感應法，以及所用的校準方法和校準點(diǎn)數量，可實(shí)現 <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(kāi)關(guān)，可一次性檢測磁場(chǎng)移動(dòng)。

另一款納瓦級霍爾效應傳感器 DRV5032，采用圖 3 所示的設置來(lái)檢測閉門(mén)器擺臂的旋轉角度，它沒(méi)有始終保持開(kāi)啟狀態(tài)，只有在檢測到移動(dòng)時(shí)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(kāi)關(guān)與超低功耗負載開(kāi)關(guān)配合使用時(shí)，可切斷來(lái)自 DRV5055 傳感器的電源，需要 DRV5055 傳感器進(jìn)行角度感應時(shí)除外。

圖 3.高能效門(mén)位置傳感方框圖。

下頁(yè)圖 4 顯示了另一個(gè)低功耗高能效應用，此應用使用 320nA 的 TLV8802 運算放大器作為無(wú)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。

PIR 應用需要在 PIR 傳感器的輸出端提供經(jīng)過(guò)放大和濾波的信號，以使進(jìn)入信號鏈后續各級的信號振幅足夠大，進(jìn)而提供有用的信息。PIR 傳感器檢測遠處物體的移動(dòng)時(shí)，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(lái)限制系統的噪聲帶寬。濾波功能還會(huì )設置系統在檢測移動(dòng)時(shí)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(shí)器和負載開(kāi)關(guān)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(jìn)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(jiǎn)單低功耗無(wú)線(xiàn)環(huán)境傳感器原理圖。

在圖 5 中，將 TPL5111 用作 TPS22860 的一個(gè)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(gè) 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(shí)器關(guān)閉負載開(kāi)關(guān)之后，會(huì )切斷來(lái)自 HDC2080 的電源，從而大幅降低能耗?？梢詾?TPL5111 設置一個(gè)寬時(shí)間范圍，這樣可以在將輪詢(xún)頻率設置為高延遲值時(shí)降低更多功耗。

圖 5.無(wú)線(xiàn)環(huán)境傳感器以及納瓦級計時(shí)器和負載開(kāi)關(guān)。

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