需要输入! 物联网应用中的低功耗AC/DC转换器

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每个人都听说过物联网(IoT)的炒作:人与人的交流和人与环境之间的互动将进行典范转移。工业4.0、智能家居、办公室或城市通信的带宽成本需要大幅降低(目前每年下降25%),同时还需大幅增加数据处理能力(以目前的开发速度,机器智能将在我这一代超越人类智慧)。这些快速变化的共同点是需要更多的传感器(目前每年增加33%)。如果没有任何实时的传感器信息,就算是最能干的机器、有最多连接的节点或者最聪明的家居也无用武之地,因为IoT是真实世界的一部分而非单纯模拟;就如同1986年的电影「Short Circuit」的机器人有感而发:「我需要输入!」

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「输入」指的不仅仅是数据。所有无时无刻工作的传感器会一直消耗能源。最佳能源是根据不同的IoT应用而定,可能是由电池、DC总线或主电源供电,或者能量采集。然而随着传感器数量从几十个增加到几百个,或从一个位置扩展至多个位置,大量传感器的能源需求不容小觑。即使电池可以维持一年或更长的时间,每年都得更换数百个电池是一项艰难的任务。能源采集看起来是一个很有前途的替代方案,但技术不够成熟。IoT能否等到一个实用、可靠,而且最重要的是成本又低的能源采集的解决办法?工厂普遍使用工业级DIN导轨式24VDC电源,但是在家居或办公室较为罕见。另一方面,微型低功率AC/DC转换器可以以非常低的成本在这些不同的环境里使用。
 

IoT应用的AC/DC主电源的要求是多方面的:因为它仅需要几瓦的功率所以必须低功耗、因为使用在IoT传感器和RF调制解调器上所以它的尺寸也必须很小、因为IoT节点要从激活模式来回切换到睡眠模式所以它必须应付非常大变化的负载电流。另外,它必须有低空载功耗、必须有家用、商业和工业环境的全球认证,最后,因为它的需求量十分庞大所以必须非常便宜。那么,上述的需求该如何满足?
 

即使在几年前,5W AC/DC转换器的工业标准尺寸是2”x1”(约50mm x 25mm),现在则是一平方英寸(25mm x 25mm)。这个技术是如何在如此短的时间有这样的进展?一个重要的原因是初级侧稳压(PSR)变得更加普遍。

 

图1:以前的5W AC/DC与2017年最新设计的比较。两者有相同的规格。
 

低功率AC/DC变换器的传统建构方式是制作一个准谐振反激式变换器,以一个次级侧分路调节器控制光耦合器进行输出调节反馈(如图2所示)。这种开关稳压器的设计可以应对90-265VAC的宽输入电压范围,同时在0%-100%负载范围内提供稳定的恒定输出电压。主要的缺点是所需的组件数量,以及因为低纹波直流电压较为稳定,所以输入和输出电容的尺寸也较大。由于光电耦合器与变压器并联,它还跨接在交流输入和低输出直流电压之间,并且必须满足主电源隔离和间隙要求,所以它需要至少5平方毫米,无法再小。

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图2:采用光耦反馈的准谐振AC/DC转换器原理图。如果输出电压升得太高,分流稳压器会将更多的电流通过光耦合器,从而减少接通时间以进行补偿。光耦周围必须有补偿网络以确保良好的瞬态负载稳定性。
 

初级侧稳压对初级侧波形上的某一点的反射输出电压进行采样(图3),因此它不需要分流稳压或光耦即可监测和调节输出电压。尽管控制器较为复杂,但可以节省组件总数量并使PCB布局大幅缩小。唯一需要的额外组件是一个输出齐纳二极管来预防过电压(主电源尖峰可能暂时影响采样点的准确性,所以建议要有过压保护)。


虽然输出电压稳压不是十分精确,但是许多IoT应用中,电源电压不需要严格调节(对于大多数的微控制器、无线电和传感器来说,±10%是可以的)。较高的输出纹波也是可以接受的,所以采用PSR而非光耦合器设计可以让输出电容的尺寸更小,因为较高的输出纹波会影响分流稳压器的性能。

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图3:初级侧稳压AC/DC转换器之原理图。虽然波形与光耦合设计非常相似,但PSR电路可以使用较少的组件有相似的性能,所以电源可以做得更小。输出电压是通过初级侧波形的拐点采样来计算的。
 

IoT应用的另一个要求是极宽的负载范围。一个GSM模块可以在发送SMS时或在基站之间进行换手沟通时需要2A的峰值电流,但是在空闲模式下通常只需要1.5mA。然而与BLE无线电模块的36mA峰值和1μA睡眠模式(36 000:1)的电流消耗相比,即使3000:1的负载范围也不算大。电源必须能够应付突发的负载变化,不让输出电压瞬态得过大。大多数AC/DC的规格书使用50%-75%瞬态负载变化的电压偏离测试,但这对IoT应用来说是毫无意义的。比较重要的是0%-25%负载瞬态的恢复时间,理想情况下恢复时间应该是在500μS以下(图4)。由于PSR必须在非连续导通模式(DCM)下运行,因此其反应时间可能会比在连续导通模式(CCM)下运行的准谐振反激式设计还来得慢。减少恢复时间的一种方法是增加开关频率,但这会增加EMC发射。

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图4:0%→25%负载瞬态响应示例。电压偏移<90mV,恢复时间约300μs。 25%→0%的负载瞬态响应也十分类似。
 

典型IoT传感器的应用大部分时间都处在低功耗或睡眠模式,所以AC/DC转换器应具有出色的空载功耗数据。光耦合设计的分流稳压器在零负载时汲取最多电流,因此PSR拓扑本身具有较低的功率。欧洲能源相关产品指令(Lot 6)要求板载或内部电源的空载功耗不得高于0.5W,但如果考虑到数百个主电源供给的传感器节点,这个指标就太高了。八分之一瓦特或更低的空载功耗会比较适当。再者,必须小心谨慎解读规格书。无负载和几mA的轻负载之间的消耗差异通常很大。这是因为控制器在零负载时转换为脉冲跳跃模式以提供更好的待机性能。即使在极轻的负载下,切回正常运作时的功耗会很高。
 

工业4.0起源于德国,但现在已成为世界现象。因此任何用于IoT应用的AC/DC电源不仅适用所有的100VAC到240VAC的常用电源电压,还获得全球认证。为了可以在大多数的应用上使用,拥有欧洲的CE标志(LVD + EMC + RoHS2)、美国的UL标志以及其他地方的IEC认证是最低要求,因为CB报告可以做为申请其他国家认证的基础。对于需要安全隔离变压器的智能建筑自动化应用,家居安全和EMC标准(分别为60355和CISPR 14-1/14-2)也是很有用的。
 

虽然IoT 应用的AC/DC电源必须既小巧又便宜,但是安全保护方面不容偷工减料,因此强化隔离和内部保险丝仍是必要的。为了节省空间通常会使用可熔电阻,让一个组件可以有两种功能(该电阻也是EMC滤波器网络的一部分以减少传导发射)。为了在不使用大型绕线架的情况下满足爬电距离和间隙要求,变压器通常采用双重绝缘的初级或次级飞线;否则,不太可能将整个设计塞进如此小的外壳里。
 

在家庭使用方面,0°C至+45°C的环境温度范围就足够,但对工业用途来说-25°C至+50°C较为常见。一些重工业或户外应用可能甚至要求-40°C至+60°C的温度范围。增加工作温度范围会影响成本因为会使用高温型电容(较为昂贵),所以需要在单位成本和性能要求之间作出取舍。请注意,许多IoT传感器节点会用在容错网络同时也是不可修复的(便宜到如果故障会直接丢弃),那么过度设计这类的电源就没有任何商业意义。IoT传感器电源的关键规格是「足矣!」

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