電源管理IC如何支持智能建筑

得益于現(xiàn)代控制和自動(dòng)化技術(shù)和技術(shù)，智能建筑可以節(jié)省大量能源，保護(hù)環(huán)境，改善居住者的健康和安全，并提高生活質(zhì)量。

自動(dòng)化系統(tǒng)允許建筑運(yùn)營(yíng)商通過(guò)云遠(yuǎn)程管理大型建筑。他們的軟件平臺(tái)提供實(shí)時(shí)性能監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、可視化、故障檢測(cè)和診斷以及投資組合能源管理。通過(guò)將設(shè)備數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)到云，可以使用人工智能 （AI） 的進(jìn)步實(shí)時(shí)運(yùn)行分析，以確定要采取的行動(dòng)。自動(dòng)化在建筑物中最普遍的用途是HVAC（供暖/通風(fēng)/空調(diào)）、照明、監(jiān)控、訪問(wèn)控制、火災(zāi)探測(cè)和閉路電視 （CCTV） 監(jiān)控系統(tǒng)。

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)包括用于管理、控制和現(xiàn)場(chǎng)的不同層。管理層從一個(gè)中心位置操作和控制智能建筑，并根據(jù)需要記錄和優(yōu)化數(shù)據(jù)。由于問(wèn)題可以實(shí)時(shí)識(shí)別，因此可以立即采取行動(dòng)。該層使用BACnet和Modbus等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

控制層（如圖2所示的樓宇自動(dòng)化模塊）專(zhuān)門(mén)處理硬件級(jí)別的樓宇設(shè)備控制，并使用KNX和LonWorks等分散協(xié)議。在現(xiàn)場(chǎng)層，智能傳感器和執(zhí)行器收集數(shù)據(jù)并執(zhí)行任務(wù)。例如，系統(tǒng)可以感知照明水平并自動(dòng)調(diào)整以匹配一天中的時(shí)間或提供陰影，以確保最佳利用自然光而不會(huì)產(chǎn)生眩光。

圖2.智能建筑系統(tǒng)

更小的尺寸和電源效率是關(guān)鍵

硬件和軟件的進(jìn)步使所有這些智能、網(wǎng)絡(luò)和控制成為可能?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)是控制器、傳感器、I/O 和執(zhí)行器。控制器可以是可編程邏輯控制器 （PLC）、電機(jī)/運(yùn)動(dòng)控制器或使用高級(jí)處理器和微控制器的分布式控制系統(tǒng) （DCS）。傳感器可以是數(shù)字或模擬的，用于測(cè)量溫度、濕度、通風(fēng)和占用情況。執(zhí)行器可用于鎖、窗戶警報(bào)、安全攝像頭定位、太陽(yáng)能電池板、百葉窗和其他移動(dòng)機(jī)構(gòu)。在現(xiàn)代建筑中，傳感器和執(zhí)行器可以通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)關(guān)與控制中心進(jìn)行通信。它們由電池或有線直流電壓供電，通常在 5V 至 24V+ 范圍內(nèi)。

控制器接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸入，對(duì)其進(jìn)行處理，并驅(qū)動(dòng)適當(dāng)?shù)膱?zhí)行器。當(dāng)今的傳感器和執(zhí)行器配備了內(nèi)部處理器，可以在本地做出簡(jiǎn)單的決策，而無(wú)需升級(jí)到控制器，從而提高吞吐量。

隨著智能建筑中智能互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的激增，現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)控制器、傳感器和執(zhí)行器都需要更多的處理器和連接接口。這反過(guò)來(lái)又對(duì)系統(tǒng)硬件提出了新的要求：減小組件尺寸以在同一機(jī)箱中容納其他電子設(shè)備，提高能源效率以在相同或更低的熱預(yù)算內(nèi)運(yùn)行，以及提高電氣/機(jī)械安全性和可靠性以減少停機(jī)時(shí)間。

小型化推動(dòng)了對(duì)更小PCB尺寸的需求，這帶來(lái)了散熱挑戰(zhàn)。因此，電源解決方案必須非常高效，因?yàn)樗谡加酶∶娣e的同時(shí)提供更高的功率。傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用通常以 24V 標(biāo)稱(chēng)直流電壓總線為特征。但是，對(duì)于非關(guān)鍵設(shè)備，工業(yè)應(yīng)用的最大工作電壓預(yù)計(jì)為36V至40V，而控制器、執(zhí)行器和安全模塊等關(guān)鍵設(shè)備必須支持60V（IEC 60664-1絕緣和61508 SIL標(biāo)準(zhǔn)）。常用輸出電壓為 3.3V 和 5V，電流從小型傳感器的 10mA 到運(yùn)動(dòng)控制、CNC 和 PLC 應(yīng)用中的數(shù)十安培不等。這使得降壓穩(wěn)壓器成為建筑和工業(yè)控制應(yīng)用的不二之選（圖 3）。

圖3.完全集成的同步降壓轉(zhuǎn)換器

隨著傳感器越來(lái)越常用，另一個(gè)需要解決的重要問(wèn)題是：如何安全地為微型傳感器提供低壓電源，同時(shí)最大限度地減小解決方案尺寸并最大限度地提高效率？無(wú)論環(huán)境如何，檢測(cè)和診斷許多參數(shù)并做出決策的傳感器都必須耐用可靠。傳感器“盒”由穩(wěn)壓器供電，穩(wěn)壓器向 ASIC/微控制器/FPGA、模擬前端 （AFE） 和傳感元件提供適當(dāng)?shù)碾妷骸?/p>

傳感器通常由 24V 直流電源供電。然而，建筑物可能是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，需要安裝傳感器，這需要與電源進(jìn)行長(zhǎng)電纜連接，從而導(dǎo)致高壓瞬變。因此，傳感器內(nèi)部的降壓轉(zhuǎn)換器必須承受42V或60V的電壓瞬變，這些瞬變遠(yuǎn)高于傳感器的工作電壓。如前所述，對(duì)于 24V 電源軌，最好依賴(lài)最大工作電壓為 42V 的器件。

隔離和保護(hù)電路的重要性

根據(jù) SELV/FELV 法規(guī)，低于 60V 的輸入電壓本質(zhì)上是安全的，但出于功能安全性和可靠性原因，在此工作范圍內(nèi)仍然普遍需要隔離。在此電壓范圍內(nèi)，電源電子負(fù)載（通常是非常精密且昂貴的微控制器）需要保護(hù)。如果無(wú)意中暴露在高壓下，該電子負(fù)載可能會(huì)自毀。隔離還有助于防止接地回路，接地回路可能會(huì)引發(fā)降低設(shè)備可靠性的反應(yīng)。

保護(hù)電路是當(dāng)今電子產(chǎn)品的無(wú)名英雄。它們可以幫助防止可能損壞電子負(fù)載的壓力源，例如浪涌和反向電流、過(guò)壓和欠壓。

總之，樓宇自動(dòng)化技術(shù)正在帶來(lái)更舒適、更節(jié)能的家庭和辦公室。但這些技術(shù)也給能源效率、小型化和系統(tǒng)可靠性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。電源管理IC可以幫助應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。有關(guān)此主題的更深入探討，請(qǐng)閱讀智能建筑的電源管理設(shè)計(jì)指南。

審核編輯：郭婷