电源管理IC如何支持智能建筑

借助现代控制和自动化技术和技术，智能建筑可以显着节省能源、保护环境、改善居住者的健康和安全，并提高生活质量。

自动化系统允许建筑运营商通过云远程管理大型建筑。他们的软件平台提供实时性能监控、数据分析、可视化、故障检测和诊断以及组合能源管理。通过将设备数据联网到云端，可以利用人工智能 （AI） 的进步实时运行分析以确定要采取的行动。建筑物中最普遍的自动化应用是 HVAC（供暖/通风/空调）、照明、监控、访问控制、火灾探测和闭路电视 （CCTV） 监控系统。

楼宇自动化系统架构包括管理、控制和现场的不同层。管理层从一个中心位置操作和控制智能建筑，并根据需要记录和优化数据。由于问题是实时发现的，因此可以立即采取行动。该层使用 BACnet 和 Modbus 等网络协议。

控制层（图 2所示的楼宇自动化模块）专门处理硬件级别的楼宇设备控制，并使用 KNX 和 LonWorks 等分散式协议。在现场层，智能传感器和执行器收集数据并执行任务。例如，该系统可以感应照明水平并自动调整以匹配一天中的时间或提供阴影以确保最佳地使用自然光而不会产生眩光。

图 2. 智能楼宇系统

更小的尺寸和功率效率是关键

硬件和软件的进步使所有这些智能、网络和控制成为可能。现场级是控制器、传感器、I/O 和执行器。控制器可以是可编程逻辑控制器 （PLC）、电机/运动控制器或使用高级处理器和微控制器的分布式控制系统 （DCS）。传感器可以是数字的或模拟的，用于测量温度、湿度、通风和占用情况。执行器可用于锁、窗户警报器、安全摄像头定位、太阳能电池板、百叶窗和其他移动机构。在现代建筑中，传感器和执行器可以通过有线或无线网关与控制中心通信。它们由电池或有线直流电压供电，通常在 5V 至 24V+ 范围内。

控制器接收来自现场传感器的输入，对其进行处理，并驱动适当的执行器。今天的传感器和执行器配备了内部处理器，可以在本地做出简单的决策，而无需升级到控制器，从而提高了吞吐量。

随着智能建筑中智能联网设备的普及，现场的每个控制器、传感器和执行器都需要更多的处理器和连接接口。这反过来又对系统硬件提出了新的要求：减小组件尺寸以在同一机箱中安装更多电子设备，提高能效以在相同或更低的热预算内执行，并提高电气/机械安全性和可靠性以减少停机时间。

推动对更小 PCB 尺寸需求的小型化带来了散热挑战。因此，电源解决方案必须非常高效，因为它可以提供更高的功率，同时占用更小的面积。传感器和执行器应用通常以 24V 标称直流电压总线为特征。但是，对于非关键设备，工业应用的最大工作电压预计为 36V 至 40V，而控制器、执行器和安全模块等关键设备必须支持 60V（IEC 60664-1 绝缘和 61508 SIL 标准） 。 流行的输出电压为 3.3V 和 5V，电流从小型传感器中的 10mA 到运动控制、CNC 和 PLC 应用中的数十安培不等。这使得降压（降压）稳压器成为楼宇和工业控制应用的明显选择（图 3）。

图 3. 完全集成的同步降压转换器

随着传感器变得越来越普遍，另一个需要解决的重要问题是：如何安全地向微型传感器提供低压电源，同时最小化解决方案尺寸并最大化效率？用于检测和诊断许多参数并做出决策的传感器必须耐用且可靠，无论环境如何。传感器“盒”由稳压器供电，稳压器向 ASIC/微控制器/FPGA、模拟前端 （AFE） 和传感元件提供适当的电压。

传感器通常由 24V 直流电源供电。然而，在建筑物中安装传感器可能是一个非常具有挑战性的环境，这需要长电缆连接到电源，这会导致高压瞬变。因此，传感器内部的降压转换器必须承受 42V 或 60V 的电压瞬变，这远高于传感器的工作电压。如前所述，对于 24V 电源轨，最好使用最大工作电压为 42V 的设备。

隔离和保护电路的重要性

根据 SELV/FELV 规定，低于 60V 的输入电压被认为本质上是触摸安全的，但出于功能安全和可靠性的原因，在此工作范围内隔离的需求仍然普遍存在。在此电压范围内，电源电子负载（通常是非常精密且昂贵的微控制器）需要保护。如果无意中暴露在高压下，该电子负载可能会自毁。隔离也有利于防止接地回路，这可能会引发降低设备可靠性的反应。

保护电路是当今电子产品的无名英雄。它们可以帮助防止可能损坏电子负载的压力源，例如浪涌和反向电流、过压和欠压。

总之，楼宇自动化技术正在打造更舒适、更节能的住宅和办公室。但这些技术也带来了能源效率、小型化和系统可靠性方面的挑战。电源管理 IC 可以帮助应对这些挑战。

审核编辑：郭婷