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發(fā)布時間:2023-04-07 16:19:06
北美公用事業(yè)領(lǐng)域正致力于安裝智能電表。巴西監(jiān)管機構(gòu) ANEEL 要求在全國內(nèi)全面增裝智能電表引起熱議。歐洲各個公用事業(yè)領(lǐng)域致力于為智能電表開發(fā)獨特的通信方式。
各公司推廣家庭局域網(wǎng) (HAN) 解決方案更是助長這一形勢。未來愿景包括在每個洗衣機、烘干機、冰箱,甚至燈泡上安裝能源測量設(shè)備!每個設(shè)備都可以通過 ZigBee、藍牙或其他低功耗短距離通信協(xié)議方便地與家庭路由器進行通信。
2017 年的今天,北美大部分地區(qū)、歐洲和亞洲許多國家都安裝了智能電表。公用事業(yè)領(lǐng)域正通過智能電表監(jiān)控電力使用情況,不再需要雇傭抄表員走街串巷,手動讀取每個電表,節(jié)省了大筆的成本支出。然而,完整的智慧能源建設(shè)的愿景有所不同。每個燈泡的能源測量未能實現(xiàn),這可能是由于與燈泡消耗的能源成本相比這種系統(tǒng)的成本較高。通過小型日光燈燈泡和 LED 等低能耗光源進一步降低這種能源成本。也許只是我們對某些粒度級別的數(shù)據(jù)的需求最大化了。然而,盡管智慧能源的愿景之一未能實現(xiàn),但是許多精彩的進步為人們開啟了新視野。
咖啡就是一個很好的例子。十年前,北美的大多數(shù)人和餐館使用玻璃或陶瓷壺煮咖啡,然后將咖啡壺坐在爐子上。爐子會持續(xù)消耗能源,緩緩地煮咖啡,也破壞了味道。后來,有人想出其他好主意,將咖啡放在熱水瓶里來保溫。這樣,咖啡不再連接電網(wǎng),進入“離線”狀態(tài)。此外,煮咖啡消耗的能源更少,并且口味更佳。這是智慧能源一個很好的例子!
咖啡的例子引入了工程系統(tǒng)的其他概念,最大限度地提高性能和節(jié)約能源。毫微功耗是一個很大的進步。毫微功耗概念描述了某些零件在不工作但不完全關(guān)閉時的靜態(tài)電流消耗。最新產(chǎn)品采用先進的模擬 CMOS 工藝技術(shù),具有微不可量的毫微安級工作電流。主要節(jié)能優(yōu)勢首先來自這些系統(tǒng)的占空比;其次通過分散功耗架構(gòu)實現(xiàn)。以下是展示毫微功耗優(yōu)點的三個設(shè)備和電路示例。
煙霧探測器是首批物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備之一。它們需要靠一塊電池運行 10 年,無需頻繁更換電池,可在斷電期間正常工作。圖 1 所示的是一個典型的現(xiàn)代煙霧報警器,包括一塊電池、多個 DC / DC 轉(zhuǎn)換器,一個微控制器、射頻通信、一個傳感器(其架構(gòu)可能多種多樣)和一個壓電蜂鳴器。圖 1 中的表格基于現(xiàn)今可用的元器件列出了每個模塊的電流消耗示例值。如果是光學(xué)煙霧傳感器,驅(qū)動 LED 的峰值電流將達到 mA 級別,但平均電流會下降,因為 LED 的工作循環(huán)通常相對不頻繁。在大多數(shù)報警器中,有源電路僅在 0.05% 的時間內(nèi)對空氣進行采樣,這意味著系統(tǒng)在 99.95% 的時間內(nèi)以靜態(tài)模式運行。不考慮占空比可能完全不同的射頻電路,全功率模式下的主電路將消耗 12.6 mA。靜態(tài)時,主電路消耗 5.5 μA。因此,有源電路每秒消耗的平均電流為 12.6 mA x 0.0005 = 6.3 µA,得出平均電流消耗為 11.8 μA?,F(xiàn)在,高于 1 μA 的靜態(tài)電流開始影響系統(tǒng)電池壽命。在 ~10 µA 的電流消耗范圍內(nèi),電流消耗每增加 1 μA,則 1500 mAhr 電池的壽命將減少一年。
元件 典型工作電流 典型靜態(tài)電流
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圖 1: 典型的現(xiàn)代煙霧報警器在大多數(shù)情況下以靜態(tài)模式運行,因此靜態(tài)電流越低,其電池壽命越長。
毫微功耗的另一個優(yōu)點源自可以關(guān)閉系統(tǒng)內(nèi)電路的功能。在這種類型的架構(gòu)中,電池監(jiān)控和實時時鐘之類的關(guān)鍵元器件保持開啟,而微控制器和 RF 電路等主要耗電器件則關(guān)閉或進入其最低功耗模式。圖 2 中的電路為用于監(jiān)控電池電壓的毫微功耗窗口比較器。比較器僅在電池電壓高于或低于允許電壓時發(fā)出警報,提供有價值的安全功能并延長電池使用壽命。系統(tǒng)微控制器不需要工作,除非從以典型 900 nA 電流運行的比較器接收到報警。從本質(zhì)上講,這成為了一種智慧能源架構(gòu),可以盡可能節(jié)省能源,同時剝離必須始終通電之功能的特定電路。
圖 2: 監(jiān)控電池電壓的毫微功耗窗口比較器。
最后一個示例是適配器或電池電源,通常稱為 ORing 二極管電源。在這種電源中,優(yōu)秀的設(shè)計師將肖特基二極管與電池電源串聯(lián)以限制壓降,并因此限制二極管的功率損耗,同時保護電路(圖 3)。例如,承載 1 A 電流時,Maxim 的新型 MAX40200 僅降低 85 mV,承載 500 mA 時,通常會降低 43 mV。這種性能比典型的肖特基二極管高出兩到四倍,以智能方式進一步節(jié)省數(shù)十至數(shù)百毫瓦的電池電量。
圖 3: 承載 1 A 電流時,MAX40200 僅降低 85 mV。
所有這些與咖啡有何關(guān)聯(lián)?就像咖啡一樣,架構(gòu)正在改變。各種子系統(tǒng)基本上與中央處理器斷開,然后定期連接,從而顯著降低該過程中的能耗。高級處理能力和模擬架構(gòu)將這些構(gòu)件的功耗降至前所未有的低水平。新型智慧能源運動不僅僅涉及能源測量和通信。新型智慧能源是結(jié)合先進元器件的智能系統(tǒng)架構(gòu),在解鎖新應(yīng)用程序的同時提高系統(tǒng)電池壽命和可靠性。