智能家居應用涉及許多技術(shù)構建模塊。其中一些模塊部署在沒(méi)有任何電纜連接的地方，需采用電池供電，比如一些傳感器、開(kāi)關(guān)、電表和便攜式遙控器。此類(lèi)器件通常由電池供電。為了構建便捷、小巧、可靠且低成本的系統，電源管理是關(guān)鍵。

簡(jiǎn)介

得益于nanopower領(lǐng)域的創(chuàng )新，現可使用單節或多節堿性電池或鋰離子(Li-Ion)電池為此類(lèi)器件供電。

本文介紹了具體用例，并展示了兩個(gè)采用ADI公司新款MAX77837和MAX18000nanopower開(kāi)關(guān)轉換器的電路示例。

夢(mèng)想成真

“便利”是根植于人類(lèi)本性中的愿望。我們辛勤工作掙錢(qián)，為的就是能讓生活更加輕松便捷。智能家居技術(shù)正在推動(dòng)家庭自動(dòng)化領(lǐng)域取得顯著(zhù)進(jìn)展。我們期望家庭環(huán)境能更好地服務(wù)于我們，讓我們生活得更加放松、舒適、安全，同時(shí)也更加環(huán)保。

多年前，就出現了暖通空調、安全警報、草坪噴淋和家庭娛樂(lè )等傳統家居系統。然而，只有基于網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)控制，才能真正提高便利性。過(guò)去，每到夏令時(shí)要調整噴淋系統，可能還得翻箱倒柜地找說(shuō)明書(shū)?，F在，用手機上的一個(gè)應用就能輕松管理一切，而且還能自動(dòng)完成很多基本設置。

構建智能家居應用

為了讓智能家居系統能夠感知周?chē)h(huán)境，通常需要在房屋各處布置傳感器。傳統的傳感器主要用于檢測光線(xiàn)、溫度和運動(dòng)，而更現代的傳感器則具備圖像識別和其他高度智能化的識別能力。此類(lèi)傳感器不僅可以檢測某個(gè)房間里有多少人，還能分辨出是友好的貓咪走到門(mén)口，還是竊賊正在窗外窺視，伺機盜取財物。

為了節省成本并提高靈活性，此類(lèi)傳感器應能夠無(wú)線(xiàn)運行。這樣，傳感器就能輕松部署在現有住宅中，并充分利用合適的安裝位置。如今，得益于Wi-Fi或藍牙?等無(wú)線(xiàn)通信，數據通信已不再是一個(gè)難題。然而，所有傳感器都需要電力。對于大多數應用而言，電力供應仍然是一個(gè)挑戰。雖然可以使用常見(jiàn)的光伏電池收集能量，但普通電池仍然是首選的供電方式。智能家居系統最大的問(wèn)題是電池運行時(shí)間。為了讓簡(jiǎn)易電池切實(shí)可用，并提高光伏電池的成本效益，傳感器需要高效的電源。對于任何智能家居系統，待機電流和滿(mǎn)負荷運行效率都是至關(guān)重要的設計因素。

采用單節電芯升壓轉換器的高效電源

為分布式傳感器供電的一種簡(jiǎn)單辦法是使用原電池，這是一次性、不可充電的電池。這種電池在電路成本、硬件組成和擁有成本（包括更換或充電的成本和耗費的經(jīng)歷）之間取得了良好的平衡。通常，全新原電池提供1.5 V的電壓。放完電后，電池電壓降至0.8 V以下。不同類(lèi)型的化學(xué)電池在放電過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生不同的電壓曲線(xiàn)。但一般來(lái)說(shuō)，一旦電壓低于0.8 V，電池就很難再放電，無(wú)法繼續使用。

許多電子電路的工作電壓高于0.8 V。為使電源電壓與工作電壓更好地匹配，可以串聯(lián)使用多節電池。然而，與單節電芯相比，多節電芯的成本更高，而且需要更多空間。因此，市面上有非常高效的升壓調節器，可以將0.8 V至1.5 V的典型原電芯電壓提升到智能家居應用所需的電壓，例如3.3 V甚至5 V。圖1為采用MAX18000的小型升壓轉換器電路。

圖1.一種簡(jiǎn)單但高效的單節電芯升壓轉換器

此電路很緊湊，僅需少量外部元件。DC-DC轉換器IC本身采用1.07 mm × 1.57 mm封裝。升壓轉換器內置兩個(gè)3.6 A開(kāi)關(guān)。輸出電壓?jiǎn)?dòng)并運行后，靜態(tài)電流僅為512 nA。峰值效率為95%，低負載效率（負載電流高于20 μA）仍然高于90%。輸入工作電壓范圍為0.5 V至5.5 V，因此能將非常低的電池電壓（如0.8 V）提升至有用的更高系統電壓。

 采用降壓-升壓轉換器的高效電源

有些傳感器應用采用多節電池或一節鋰離子電池運行。這種情況下，所需的電壓比上面的例子要略高。滿(mǎn)電狀態(tài)的鋰離子電池的典型電壓值約為3.7 V。電池放電時(shí)，電壓最低值約為2.8 V，低于此值就意味著(zhù)電池電量基本耗盡。對于該電壓范圍（即2.8 V至3.7 V），為了運行典型傳感器電路的常見(jiàn)電子元器件，需要借助降壓-升壓解決方案來(lái)產(chǎn)生標稱(chēng)3.3 V電壓。這就是為什么隨著(zhù)鋰離子電池的興起，降壓-升壓轉換器越來(lái)越受到重視。

串聯(lián)使用三節1.5 V原電池時(shí)也有類(lèi)似的需求。它們在滿(mǎn)電狀態(tài)時(shí)總共提供4.5 V電壓，但在電量幾乎耗盡時(shí)，這些電池僅提供大約2.4 V電壓。要為傳感器產(chǎn)生固定的3.3 V電壓，同樣需要降壓-升壓解決方案。

圖2為采用MAX77837的降壓-升壓解決方案。該解決方案只需要少量外部元件，因此所需的印刷電路板面積非常小。此外，芯片本身的封裝尺寸也非常小，僅為1.84 mm × 1.03 mm。傳感器制造商如果希望使用間距（引腳之間的距離）更大的封裝，可以選用2.5 mm × 2 mm QFN封裝。為盡可能延長(cháng)電池的使用壽命，該解決方案僅需要典型值430 nA的靜態(tài)電流。關(guān)斷時(shí)，電源轉換IC僅消耗10 nA電流。這對于主電池旁邊有儲能電容的應用可能很有用。DC-DC轉換器可以處于關(guān)斷模式一段時(shí)間，然后重新啟動(dòng)并再次對電容充電。長(cháng)期來(lái)看，這種方案可以節省更多電量，并延長(cháng)電池的運行時(shí)間。

圖2.超高效降壓-升壓轉換器，用于產(chǎn)生高于或低于輸入電壓的電壓

利用電路仿真簡(jiǎn)化設計

設計電池供電的傳感器時(shí)，必須解決一些有關(guān)電源電路的能力和局限性的基本問(wèn)題。在此階段進(jìn)行電路計算和仿真很有意義，不僅可以節省時(shí)間，還可以降低使用不合適的集成電路開(kāi)始硬件設計的風(fēng)險。為幫助用戶(hù)快速上手設計，ADI提供免費的EE-Sim?電源工具。使用此工具時(shí)，用戶(hù)只需鍵入輸入電壓、輸出電壓和電流要求，工具即可立即計算出合適的電路。圖3為EE-Sim? Power中的一個(gè)電路仿真結果示例。

在此電路計算的基礎上，工具可以根據實(shí)際的外部元器件進(jìn)行電路仿真，給出不同電壓和電流的波形。工具還能執行負載階躍、交流環(huán)路、線(xiàn)路瞬態(tài)和效率等高級仿真任務(wù)。

圖3.使用EE-Sim?電源工具設計和仿真電路

入門(mén)硬件

理論和仿真很重要，但實(shí)際硬件可能有很大不同。除了適用于單個(gè)電源轉換器的評估板外，ADI還提供完整、實(shí)用的傳感器系統，以便評估。其中包括煙霧探測系統，這是經(jīng)過(guò)多標準微功率驗證的煙霧探測系統模塊。其中展示了MAX77837和ADP162如何為一個(gè)完整煙霧探測器供電。該煙霧探測器由三個(gè)器件組成，包括用于煙霧探測的集成光學(xué)模塊ADPD188BI；帶有煙霧火災探測算法的MAX32660；以及數字溫度傳感器MAX31875。點(diǎn)擊此處可下載所有相關(guān)設計文件，以便開(kāi)發(fā)者輕松打造具備nanopower特性的高品質(zhì)智能家居傳感器。這款經(jīng)過(guò)全面優(yōu)化和驗證的傳感器硬件包含必要的軟件，展示了電源管理電路的功能。

圖4.經(jīng)過(guò)多標準微功率驗證的煙霧探測系統化模塊

結論

電源管理對于實(shí)現智能家居至關(guān)重要。它能確保高效的電源轉換，從而延長(cháng)小型、低成本電池的運行時(shí)間。目前，市面上的傳感器具備許多特性，例如穩健的連接。為了讓電池供電或能量收集供電的系統能夠切實(shí)應用于各種傳感器，降壓、升壓和降壓-升壓轉換器的靜態(tài)電流必須非常低。半導體工藝和集成電路設計的創(chuàng )新成果有助于滿(mǎn)足這一要求。而這僅僅是開(kāi)始，未來(lái)隨著(zhù)電源管理技術(shù)的進(jìn)步，互聯(lián)家居領(lǐng)域將迎來(lái)眾多創(chuàng )新，催生更加智能的傳感器。