别光顾着关心物联网安全,这方面不给力也不行
,电源设计人员不像以前只需要考量为电器提供执行任务所需的电力,而是需要承担起更多、更详尽的任务。
由于这些设备需要较高的功率来完成工作,在大多数情况下它们会被接入电网,因此没有采集能源的必要。然而,为保持开启状态,静态功率和供电效率就显得至关重要,以让新的连结功能可以正常运作。
许多时候,这些连结功能会以无线方式工作并与当地网路进行通讯,因而决定了其功率级需要低于10W。这种低功率级一般可以由AC/DC返驰式解决方案(AC/DC Fly-Back Solution)来实现。
虽然有很多整合的返驰式解决方案可供选择,但是对这种应用则需要满足其特定的要求。图四举例说明了一个此类电源解决方案如何满足连结物联网的需求。
图四的返驰实例有几大特性:第一个特性是它具有小于30mW的极低待机功耗,这十分重要,因为即使电器装置处于空闲状态,连结也必须维持准备就绪的状态;而另一个特性是低电磁干扰(EMI),因为这台设备将需要经常性地透过无线通讯电路来供电。在这个例子中,控制器使用谷值开关和频率抖动来帮助减少电磁干扰。
图四 : 电器连接的低功耗AC/DC
还有一个特性是电源解决方案的尺寸大小。通常,尺寸大小本身并不构成问题,问题在于尺寸大小如何对最终成本产生影响。物联网是一项激励人心的技术,它可以透过手机的资讯发送,让您的洗衣机告诉您衣服可以放入烘干机了;或是让冰箱告诉您有人忘了关上冰箱门,为相当值得赞赏的技术,尽管如此,消费者仍不愿意为必要功能之外所产生的费用而买单。
因此,此类解决方案需要尽可能降低电源解决方案的成本。而实现这一目标的一个方法就是缩小尺寸,这个例子中采用了更高的工作频率(115kHz),进而达到了缩小尺寸的目的。
无线网路
让我们换个话题,谈一谈什么将成为物联网的心腹大患。正如在一开始所提到的,无线网路将是主要的能源大户。而目前有很多电源设计开发专案正在开发进行,以解决这一类的问题。
从封包追踪到数位射频(RF)功率放大器等为基地台研发的一切应用,这样的设计专案不胜枚举。由于许多基地台由电网供电,所以有条件让前端功率因数控制(PFC)的供电变得更加高效。图五展现其中一个方法,为无桥功率因数控制的功率级。
图五 : 图腾柱无桥功率因数控制(PFC)
透过移除二极体桥,该系统可获得更高的效率。虽然有许多不同版本的无桥功率因数控制拓扑,但我们将重点关注持续传导模式(CCM)图腾柱拓扑。
这种拓扑有利于减少元件数量和移除桥的损耗。利用氮化镓(GaN)与开关装置进一步提高效率。Q3和Q4的这些装置能够提供更低的闸极损耗,并实现更高频率的的工作,以及降低输出电容等其他寄生损耗。
此外,因为没有内在的本体二极体,所以反向恢复损耗也降到了最低。Q1和Q2的线路频率可以进行切换,还可以采用矽MOSFET电晶体,从而实现比仅有二极体时更多的损耗减少。因为这种拓扑有利于提高高功耗电网连结系统的整体效率,所以已经有数篇公开发表的论文研究详细介绍。
展望未来
物联网为电源设计人员带来诸多的新难题,而文中提到的只是冰山一角。物联网的采用和覆盖很大程度上取决于能否减少能源需求,包括采集环境能源、尽量减少家庭能源需求和降低整体网路能源需求等。
当我们为能源采集而开发新技术时,必须要牢记减少能源需求对于推动发展扮演了相当重要的地位,能源需求越低,就越有可能从环境中获取能源。
减少电网的能源需求也十分重要。如果是单独考虑每一个由电网供电的应用,它对效率的影响可能让人觉得微乎其微,甚至可以忽略不计。但政府所关注的是效率损失的总数。这不是一台洗衣机或一个基地台,而是数百万创造能源需求的应用。
幸运的是,电源设计人员拥有新的技术来应对这些挑战。有些时候,他们采用的是可将高压元件与低压控制相互整合的处理技术;而有些时候,则是采用能够在更高的切换速度下保持低损耗,进而提高高压转换效率的WBG装置。对于电源设计人员而言,未来必定会更加精彩、令人期待。
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