【應用筆記】ADI nanoPower科技導入智慧家居應用

智慧家居應用程式涉及許多技術構成。其中一些需要電池供電，因為它們部署在偏遠地區，沒有任何電纜連接。這些包括感測器、開關、儀錶和攜帶型遙控器。此類設備通常由電池供電。為了構建方便、小尺寸、可靠且低成本的系統，電源管理是關鍵。

nanoPower領域的創新允許使用單個或多個鹼性電池或鋰離子 （Li-Ion） 電池為此類設備供電。 本文介紹了各種使用案例，並展示了兩個利用 Analog Devices 新型 MAX77837 和 MAX18000 nanoPower開關轉換器的電路示範。

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• 為什麼電壓轉換器有助於提升電池效率和延長使用壽命
• 電源監控器處理延長電池壽命並提高性能

便利是人性中根深蒂固的願望。儘管我們努力工作，但我們努力花錢讓生活更輕鬆。取得重大進展的一個領域是採用智慧家居技術的家庭自動化。我們希望我們的家能更好地為我們服務，提供更多的放鬆、舒適、安全和環境效益。

暖通空調（HVAC)、安全警報、庭院灑水器和家庭娛樂等傳統家庭系統已經存在了一段時間。但是，需要互連和基於 Web 的控制才能真正提高便利性。過去，重置灑水系統以實現夏令時可能意味著要翻出說明手冊。現在，透過我們手機上的單個App就能管理所有內容，且通常會自動做出基本決策。

通常，感測器需要分佈在房屋各處，以便智慧家居可以看到、聽到和感覺到事物。經典的感測器是感應光、溫度和運動，而更現代的感測器包括圖像識別和其他高度智慧的識別。這種感測器可以檢測某個房間里有多少人，它們能偵測一隻友善的貓是否走到前門，或有竊賊正透過窗戶窺探是否有任何貴重物品能偷。

為了節省成本和提供靈活性，此類感測器應在不接電線的情況下運行。這樣，感測器能更容易部署在現有房屋中，並設置在最完美的位置。隨著無線通信（如Wi-Fi或藍牙）的出現，數據通訊在當今並不是一個難解決的問題。但是，每個感測器都需要電源。對於大多數應用程序來說，提供這些仍然是一個挑戰。雖然能使用普通太陽能電池進行能量收集，但電池通常仍然是首選。智慧家居系統的最大問題是電池壽命。為了使簡單的電池實用、太陽能電池具有成本效益，感測器需要高效的電源。待機電流和滿載運行期間的效率對於任何智慧家居系統的設計都至關重要。

為分散式感測器供電的一種簡單方法是使用原電池，這是一種一次性的不可充電電池。這種電池在電路成本、硬體元件和購買成本（例如更換電池或重新充電的成本和工作量）之間提供了很好的折衷方案。通常，這種原電池提供 1.5 V 的電壓。這是全新電池的時候。放電時，電池電壓降至 0.8 V 以下。不同的電池化學成分在其放電週期中顯示出不同的電壓曲線。但一般來說，電池幾乎沒有任何可用能量，因為電壓會降至0.8 V以下。

許多電子電路需要高於 0.8 V 的工作電壓。為了更好地使電源電壓與工作電壓匹配，可以串聯使用多個電池單元。然而，多個電池單元的成本更高，而且它們比一個電池單元需要更多的空間。因此，市面上有非常高效的升壓穩壓器，可將 0.8 V 至 1.5 V 範圍內的典型一次電池電壓升壓至智慧家居應用實際可以供電的電壓，例如 3.3 V 甚至 5 V。圖 1 顯示了使用 MAX18000規劃極小的升壓轉換器電路。

該電路結構緊湊，只需要少量外部元件。DC-DC 轉換器IC本身採用1.07 mm ×1.57 mm封裝。升壓轉換器配有兩個內部 3.6 A 開關。靜態電流僅為 512 nA，而輸出電壓已啟動並運行。峰值效率為95%，低負載效率（負載電流高於20 μA）仍高於90%。輸入工作電壓範圍為 0.5 V 至 5.5 V，因此可以將非常低的電池電壓（如 0.8 V）升壓到有用的更高系統電壓。

其他感測器應用使用多個電池單元或可能的鋰離子電池運行。這樣的電壓比上面的例子要高一點。在鋰離子電池充滿電的狀態下，典型值約為 3.7 V。當電池放電時，2.8 V 的電壓大約是這種電池中儲存的能量耗盡之前的最小值。這個電壓範圍從 2.8 V 到 3.7 V，需要降壓升壓解決方案產生標準 3.3 V 的電壓，以運行典型感測器的公共電路電子設備。這就是為什麼隨著鋰離子電池的興起，降壓-升壓（buck-boost）轉換器變得特別受歡迎的原因。

當使用三節串聯的 1.5 V 原電池時，也有類似的需求。滿電狀態下，它們總共將提供 4.5 V 的電壓，但當幾乎放電時，電池僅提供大約 2.4 V 的電壓。所以要重新為感測器提供固定的 3.3 V 電壓，就需要降壓-升壓解決方案。

圖 2 顯示了採用 MAX77837 的降壓-升壓解決方案。該解決方案需要的外部元件很少，因此所需的印刷電路板面積非常小。此外，晶片本身採用非常小僅 1.84 mm × 1.03 mm的封裝。如果感測器製造商希望使用具有更大間距（引腳之間的距離）的封裝，則可以使用 2.5 mm × 2 mm QFN 封裝。為了使電池盡可能長時間使用，該解決方案只需要 430 nA 的典型靜態電流。關閉時功率轉換IC的功耗僅為10 nA。這對於在主電池附有儲能電容的應用可能很有用。然後，DC-DC 轉換器可以處於shutdown模式一段時間，然後重新啟動並再次為電容充電。隨著時間的推移，這種方案可能會提供額外的節能效果，並且可能會讓電池的運行時間更長。

在設計電池供電的感測器時，必須回答有關電源電路功能和限制的基本問題。電路計算和模擬在這個階段很有價值，因為它們可以節省時間並降低用不合適IC開始硬體設計的風險。ADI 提供開發者免費的 EE-Sim® 電源工具以開始設計。使用此工具，使用者只需輸入輸入電壓、輸出電壓和電流要求，即可立即計算出合適的電路。圖 3 顯示了 EE-Sim Power 中的電路模擬結果範例。

基於此電路計算和實際外部元件，可以執行電路模擬，給出不同電壓和電流的波形。還可以執行高級模擬，例如負載階躍、交流迴路、線路瞬態和效率。

理論和模擬很重要，但實際硬體可能大不相同。除了用於單個電源轉換器的評估板外，還有完整、實用的感測器系統可供評估。一個是煙霧探測系統。圖 4 顯示了為完整煙霧探測器供電的MAX77837和 ADP162，該煙霧探測器由用於煙霧檢測的 ADPD188BI 集成光學模組、具有煙霧和火災檢測演算法的MAX32660以及 MAX31875 數位溫度感測器組成。所有設計檔都可以在此處下載，從而為創建具有毫微功耗特性的高品質智慧家居感測器提供了一條簡單的途徑。這種經過全面優化和驗證的感測器硬體包括必要的軟體，並演示了電源管理電路的功能。

電源管理對於實現智慧家居至關重要。它確保了高效的電源轉換，延長了小型、低成本電池的運行時間。這些感測器提供了許多功能，包括強大的連接性。如今，降壓、升壓和降壓-升壓轉換器需要極低的靜態電流，以使電池或能量收集供電的系統適用於許多感測器應用。半導體工藝和積體電路設計的創新使這成為可能。此外，這僅僅是個開始;將有許多即將推出的創新，在互聯家庭中實現更智慧的感測器，所有這些都是由電源管理的進步推動的。

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