智能家居控制器電源解決方案探討

隨著人們生活水平的提高，對(duì)住房的安全性能、智能化、舒適化、美觀化、娛樂(lè)化提出了新的需求，智能家居的出現(xiàn)正好滿足人們的這些要求。智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能家居-系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。其中供電系統(tǒng)是這一切智能設(shè)備的心臟，是各個(gè)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障。

一、引言

圖一是為某一智能家居結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以清晰的看到，智能家居由以下幾個(gè)方面構(gòu)成：燈光、插座控制系統(tǒng);背景音樂(lè)系統(tǒng);電動(dòng)窗簾、電動(dòng)門窗等;影音系統(tǒng);安防系統(tǒng);綜合布線系統(tǒng)等。由于城市住房的緊湊性，因而這些系統(tǒng)的控制器有一個(gè)共性要求-小體積，體積大小一般類似為家庭常見的插排，因此要求系統(tǒng)的控制器供電電源也是小體積，才能符合控制器空間的布板要求。且小巧美觀的控制器和控制面板更便于實(shí)現(xiàn)家居裝飾的美觀和舒適。

圖一 智能家居結(jié)構(gòu)示意圖

二、方案對(duì)比

對(duì)于控制器電路的電源設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，工程師見到最多的方案一般有兩種：RC阻容式降壓和工頻變壓器降壓，結(jié)合圖二和圖三來(lái)分析兩種方案的特點(diǎn)。

圖二為RC阻容式降壓電路在控制板上的應(yīng)用圖，從圖中可以看出，電源主要為主控電路、信號(hào)隔離和顯示電路供電。電源方案為在輸入端口處添加浪涌防護(hù)電路，確保電源電路工作的可靠性和穩(wěn)定性;接著是RC阻容式降壓電路進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過(guò)LDO穩(wěn)壓芯片輸出一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓滿足MCU和信號(hào)隔離的供電電源。而在電源的輸出端口，設(shè)置的輸出過(guò)流檢測(cè)電路，在電源工作異常的情況下對(duì)后端負(fù)載進(jìn)行保護(hù)。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于電路成本低，電源電路占板面積小，非常符合智能家居對(duì)小體積、低成本的要求。但是不足的地方在于電源的轉(zhuǎn)換效率低，輸入電壓波動(dòng)范圍小，負(fù)載值容易受影響，電路調(diào)試相對(duì)比較復(fù)雜，最大的一點(diǎn)就是產(chǎn)品的輸入端與輸出端不隔離，容易造成觸電，有可能危害人身的安全。

圖二 阻容式電源解決方案

圖三為變壓器降壓方案，輸入端和輸出端電路和RC阻容式降壓方案一樣，都需要對(duì)電壓和后端負(fù)載做一定的保護(hù)，區(qū)別就是功率轉(zhuǎn)換為變壓器傳輸，由于輸入電壓為市電，市電的交流頻率為50HZ,因此變壓器的體積相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)很大，輸入能量經(jīng)過(guò)變壓器傳輸降壓后，通過(guò)整流濾波電路和LDO穩(wěn)壓，最終輸出穩(wěn)定的負(fù)載所需的供電電壓。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于電源電路很好調(diào)試，電路結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單，高壓和低壓部分經(jīng)過(guò)變壓器隔離，提高了安全等級(jí)，價(jià)格成本相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較低。但是輸入電壓的范圍受限，最大的缺點(diǎn)就是體積太大，轉(zhuǎn)換效率地，不滿足智能家居控制器對(duì)小體積、節(jié)能環(huán)保的要求。

圖三 變壓器電源解決方案

圖四中采用了開關(guān)電源的方案替代RC阻容式降壓和變壓器的方案，通過(guò)開關(guān)電源本身參數(shù)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，且附帶過(guò)流、短路等保護(hù)功能，從而實(shí)現(xiàn)外圍電路簡(jiǎn)單，高效率、保護(hù)功能齊全的特點(diǎn)。由于開關(guān)電源采用高頻控制的方式，內(nèi)部變壓器可以設(shè)計(jì)得很小，使得整個(gè)開關(guān)電源小型化，最終彌補(bǔ)了上述兩種方案的缺點(diǎn)。

圖四 開關(guān)電源解決方案[!--empirenews.page--]

三、一款應(yīng)用于智能家居的典型開關(guān)電源產(chǎn)品

LS系列--是金升陽(yáng)為客戶提供的小型封裝形式的高效綠色模塊電源，該系列電源采用包封工藝，具有交直流兩用、輸入電壓范圍寬、高效率、高可靠性、低功耗、安全隔離等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛適用于智能家居、電力儀表、工業(yè)、辦公、民用等設(shè)備中。

圖五 產(chǎn)品實(shí)物圖

產(chǎn)品特點(diǎn)：

● 超寬輸入電壓：100~400VDC(85~264VAC)

● 輸出短路和過(guò)流保護(hù)

● 高效率、高功率密度

● 低功耗、綠色環(huán)保

● 超小體積

● 滿足UL/CE安規(guī)認(rèn)證

基本工作介紹原理：

圖五為產(chǎn)品實(shí)物圖，正常工作狀態(tài)下，輸入電壓在輸入端的1和3引腳引入，經(jīng)過(guò)整流濾波后到達(dá)功率隔離變壓器，由高壓開關(guān)器件和控制器控制能量從功率隔離變壓器的初級(jí)傳輸?shù)酱渭?jí)，最后經(jīng)輸出整流濾波電路得到所需的輸出電壓。當(dāng)產(chǎn)品的輸出后端出現(xiàn)異常導(dǎo)致過(guò)流或短路時(shí)，控制器檢測(cè)到電路工作異常，關(guān)斷輸出電壓，且當(dāng)過(guò)流或短路消失后，輸出電壓自動(dòng)恢復(fù)正常。

四、開關(guān)電源應(yīng)用于智能窗簾控制器

圖六 智能窗簾控制器

圖六為小體積開關(guān)電源產(chǎn)品在智能窗簾控制器中的應(yīng)用，系統(tǒng)工作情況如下：

輸入端：由于供電端是交流市電220VAC,市電屬于不太穩(wěn)定的供電電壓，正常情況下都會(huì)有±10%波動(dòng)范圍，而在比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)嚴(yán)重的情況下會(huì)達(dá)到±30%波動(dòng)的范圍，因此就需要開關(guān)電壓要有較寬的輸入電壓范圍，LS03-10B05R2產(chǎn)品的工作電壓范圍是85~264VAC,很好的滿足電網(wǎng)波動(dòng)的范圍，使產(chǎn)品工作不受影響。另一方面，電網(wǎng)都不會(huì)單純的只給一個(gè)設(shè)備供電，還會(huì)有其他電子設(shè)備，如果接入的是功率很大的設(shè)備一起使用該電網(wǎng)，那么大功率設(shè)備啟動(dòng)或工作的過(guò)程中就有很大可能導(dǎo)致周圍其他設(shè)備受到干擾，類似于EMC中的快速瞬變脈沖群、浪涌等情況，所以在輸入端都會(huì)建議增加防護(hù)電路，保證系統(tǒng)不受外界干擾影響。

輸出端：由于LS03-10B05R2產(chǎn)品本身就具備了過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)功能，因此無(wú)需在輸出端設(shè)計(jì)保護(hù)電路就可以直接給負(fù)載電路供電，處理器通過(guò)處理按鍵或無(wú)線接收模塊等輸入信息，然后通過(guò)光耦等信號(hào)隔離器件把控制信息傳輸給繼電器組，進(jìn)而控制馬達(dá)來(lái)改變窗簾的狀態(tài)。

五、小結(jié)

金升陽(yáng)AC-DC模塊電源LS系列產(chǎn)品通過(guò)技術(shù)人員的不懈努力，在超小體積的基礎(chǔ)上滿足了安規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)，在無(wú)浪涌、脈沖群等EMC要求的條件下，LS01-XX/LS03-15BXXSR2只需要按照推薦電路在輸入和輸出端外接一個(gè)濾波電容便可以實(shí)現(xiàn)AC輸入與DC輸入兩用?？梢詽M足電力儀表、智能家居等不同行業(yè)客戶的應(yīng)用，為廣大工程師在設(shè)計(jì)布局上提供了很大的便利。在《今日電子》主辦的電源產(chǎn)品評(píng)獎(jiǎng)活動(dòng)中，根據(jù)在技術(shù)或應(yīng)用方面取得顯著進(jìn)步、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、性價(jià)比顯著提高的原則下，榮獲TOP-10 電源產(chǎn)品獎(jiǎng);同時(shí)為了表彰填補(bǔ)國(guó)內(nèi)技術(shù)空白的貢獻(xiàn)，喜獲自主創(chuàng)新獎(jiǎng)。