Giriş: IoT'deki AC-to-DC Dönüşümünün Eleştirel Rolü

Nesnelerin İnterneti (IoT), büyük bir dizi cihazda, akıllı termostatlardan ve endüstriyel sensörlerden, uygulanabilir sağlık monitörlerini ve akıllı aydınlatmaları giymeleri için işletim edilir. Bu cihazlardan birçoğu doğrudan DC güç kaynağının olmadığı ortamlarda çalışır, büyük güç malzemelerinin aksine, IoT cihazındaki dönüştürücüler, çok düşük maliyetli bir şekilde güvenli bir şekilde dışlanmış bir alan için bile ekstra bir şekilde tasarlanmalıdır.

IoT için Low-Power AC-to-DC Dönüşümünü Anlayın

Geleneksel AC-to-DC dönüştürücüler, her miliwatt sayının bulunduğu on veya yüzlerce watt işlemek için tasarlanmıştır.

  • [FONT:0]Standby Power Beauty:[Dönetici:[Dönetici:0) Çoğu IoT cihazı, düşük güç uyku modlarında zamanlarının çoğunu harcar, sadece mikroamplar çizer. dönüştürücü, özellikle son derece hafif yüklerde yüksek verimlilik sağlamalıdır.
  • [FONT:0)Physical Constraint:[Dönetici:[Dönetici: 0,2] IoT cihazları sürekli olarak küçültülüyor, güç tedarikinin her zaman küçük bir ayak izine uygun olmasını talep ediyor, genellikle hassas analog ve RF devreleri ile.
  • [FONT:0)Electroman Interference (EMI): [Dönder frekanslarda çalışan kanallar, kablosuz iletişimi bozan EMI üretebilir, Wi-Fi, Bluetooth ve Zigbee modülleri için kritik bir endişe oluşturabilir.
  • [FONTD:0)Reliability and Lifetime:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici ve Yaşam Süresi:[[Dönetici: 0) Birçok IoT cihazı zor erişim yerlerinde dağıtılır, bu yüzden dönüştürücünin uzun bir operasyonel yaşam süresine sahip olması gerekir, en az 10 yıldan fazla, en az bileşen bozulması ile.

Bu kısıtlamaları anlamak, tüm tasarım kararlarının inşa edildiği temeldir.

Anahtar Tasarım Tahminleri

Bir topoloji veya bileşeni seçmeden önce, bir tasarımcı birkaç ilgili parametreyi değerlendirmelidir.Bu düşünceler dönüştürücü mimarisi ve son performans özelliklerini tanımlar.

Ambalaj Across the Load Range

Tüm yükteki Peak verimliliği genellikle cihazın tipik işletim noktasında verimlilikten daha az önemlidir. Birçok IoT sensörü uyku modunda zaman harcıyor, bu yüzden dönüştürücünün mevcut ve ışık yükü verimliliği en kritik ölçümler haline gelir.Saçlama işlemi ile kontrol cihazları kullanarak 700 V-mode-dönüşüm işlemleri,% 99 oranında dramatik bir şekilde azaltılabilir.

Boyut ve Yönetim Alanları

dönüştürücünin fiziksel hacmini azaltmak, yüksek frekanslı güç modüllerini azaltmak ve manyetik bileşenlerin boyutunu azaltmak anlamına gelir.[Döneticiler ve kapasitörler. 100 kHz veya daha yüksek frekanslar ortaktır. ancak, yüksek frekanslar geçiş kayıpları ve EMI, dikkatli ticaret-offlar gerektiren. Entegre güç modülleri, örneğin LTM8048 [Döneticileri:0Analog cihazları LTM8048, bir geri yükleme kontrolörü birleştirir, güç geçişi ve dönüştürücüyü tek bir pakette azaltır, büyük ölçüde daha yüksek per-in fiyatına göre azaltır.

Giriş gerilim aralıkları ve Hoşgörü

Düşük güç IoT dönüştürücüleri genellikle geniş bir AC girişleriyle çalışmalıdır (tipik olarak 85 VAC ila 265 VAC global uyumluluk için). dönüştürücü, zarar veya istikrarsızlık olmadan dalgalanmalar ve gerilim varyasyonları işlemek için yeterince sağlam olmalıdır. evrensel bir giriş tasarımı standarttır, ancak yüksek hatlarda bir bileşen stresi özellikle de ağır kapasiteli ve MOSFET için dikkatli gerektirir.

Eksiklik Gereksinimleri

AC anaları ve düşük gerilim DC çıktısı arasındaki Galvanic izolasyonu, kullanıcının güvenliği için neredeyse her zaman gereklidir (örneğin, metal parçalarla cihazlar için). Isolation ayrıca gürültü darbesine neden olan zemin döngülerini kırmaya yardımcı olur. 5 W'nin altındaki güç seviyeleri için, uç dönüştürücüler büyük ölçüde tek bir çiftli inductor (transformer).

Maliyetleri

Tüketici IoT cihazları son derece pahalıya mal oluyor. Her bileşen haklı olmalıdır. Güç geçişi, sabit frekans osilatörünü birleştiren tüm kontrol cihazları kullanarak ve koruma özellikleri, ultra yüksek hacim ürünleri için, ayrı bir tasarım daha ucuz olabilir.

Low-Power AC-to-DC Converter için ortak topolojiler

Birkaç devre topoloji IoT uygulamaları için düşük güç AC-d-DC dönüşümü için uygundur.Her biri farklı avantajları ve ticaret-offları vardır.

Flyback Converter (The Workhorse of Low-Power Isolation)

Uçoloji, 10 W'nin altındaki izole çevrimdışı dönüştürücüler için en popüler seçimdir. Tek bir geçiş kullanır (tipik olarak bir MOSFET) ve geçiş sırasındaki hız artışları azaltmak için birkaç kanala ihtiyaç duyar ve geçişleri azaltır ve devre dışı bırakılırsa, daha az basit hale getirilebilir.

Buck Converter (Non-Isolated, HighDY)

Çıkışın AC hattına referans olduğu kesin olmayan uygulamalar için (örneğin, bazı ev otomasyonlarında, bir otobüs dönüştürücü çok yüksek verimlilik sunabilir (above 90). Bir buck dönüştürücü doğrudan doğrulanmış AC gerilimi ile küçük bir DC gerilimi azaltır.Bu yüzden toprağa göre izole edilen potansiyeller kalır, bu yüzden sadece tam kapalı, çift-i izolasyonlu inşaat ile cihazlar için uygundur.

Resonantpacks

Resonant topolojiler, LLC veya seri resonant dönüştürücü gibi, sıfır gerilim geçişine (ZVS) veya sıfır-şimdilik geçiş (ZCS), neredeyse maliyetleri ve karmaşıklığı nedeniyle seçilir, ancak yüksek frekanslarda bile yüksek frekanslı endüstriyel sensörlerde görünürler.

Capacitive Dropper (Unregated, Low-Cost)

Bir kapasitif düşüş, yüksek gerilim kapasitesi ile AC gerilimi minimum güç dağılımı ile düşürmek için kullanılır. Son derece ucuz ve kompakt ama hiçbir izolasyonu sağlar, hiçbir düzenleme ve zayıf güç faktöründen muzdariptir. çıktı gerilimi, giriş gerilimi ve yük akımı ile sınırlıdır.Bu topoloji çok düşük mevcut uygulamalarla sınırlıdır (örneğin, küçük röfürler veya LED göstergeler) ve istikrarlı bir DC demiryoluna ihtiyaç duyan hassas IoT işlemcileri için tavsiye edilmez.

Maksimum Güvenilirlik ve Verimlilik için programlanabilir Seçimi

Doğru bileşenleri seçmek, topolojiyi seçmek kadar kritiktir. Düşük güç dönüştürücülerinde, yüksek güçlerde ihmal edilen parasitik kayıplar genel verimliliği hakim edebilir.

Power Switch (MOSFET)

İlk geçiş (özellikle N kanallı bir MOSFET) düşük bir düşük kapı yüküne sahip olmalıdır.[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ

Retifier Diodes

İkincil olarak, Schottky diyotları düşük ileri gerilim damlaları ve hızlı geçişleri için tercih edilir. 5 V'nin altındaki çıktı gerilimleri için, hatta bir Schottky'nin 0.3 V damlası önemli bir verimlilik cezasını temsil edebilir.Böyle durumlarda, senkronizasyonu kullanarak senkronizasyonu 3-5% oranında artırabilir, ancak karmaşıklık ve maliyetle artırabilir.

Elektrolitik vs. Seramik Capacitors

Rehinli AC hattında ( köprü retifier) geleneksel olarak yüksek kapasiteli ve gerilim puanı nedeniyle alüminyum elektrolizleri kullanıyor. Ancak, elektrolitikler yüksek ESR, sınırlı ömür ve düşük yüksek frekanslı performansı artırmak için yüksek frekanslı yüzeylere sahipler.

Transformer Design (For Flyback)

Uçucu dönüştürücü genellikle özel bir tasarımdır. Anahtar parametreler birincil giriş, dönüş oranı ve temel malzeme içerir. Daha küçük bir girişte daha yüksek güç transferine izin verir, ancak ortak IoT uygulamaları için, yüksek permeability (e.g., 3C90 veya N97 malzeme) ile bir ferrite çekirdeğinin ortak olması gerekir.

Tasarım İpuçları özellikle IoT Cihazları için

Analog dönüştürücü tasarımının ötesinde, IoT uygulamaları en erken aşamalardan ele alınması gereken ek gereksinimleri alır.

Ultra-Low Standby Power

Birçok IoT cihazı Enerji Yıldızı veya AB ErP yönergeleri gibi enerji standartlarına uymalıdır, bu da şarj edilebilir gücü 100 mW veya hatta 30 mW'nin altına almak için, dönüştürücünin en fazla geçiş faaliyetini devre dışı bırakması gerekir. Bazı kontrolörler, 10 mW çıktısını şarj etmek için yüksek bir verimlilik sağlar.

Parasitics Minimiz

PCB düzenindeki parasitik ve kapasitance, yüksek gerilimli taraf için özel bir zemin uçağı kullanabilir ve EMI filtre ile bağlantı noktası ile yüksek kapasiteli bir bağlantı noktası ile. kritik izler için, transformatör birincil ve MOSFET'yi mümkün olduğunca kısa sürede kullanın.

Güç Yönetimi Entegrasyon

Mümkün olan yerde, AC-to-DC dönüştürücüyü aşağı bir gerilim düzenleyicisi ile entegre edebilir veya hatta bir batarya şarj devresini bile kullanabilir. Örneğin, 12 V'nin MCU için 3,3 V üretebileceği bir uç dönüştürücü, 5 V ve 3.3 V doğrudan, ancak çapraz-temiz yükleri farklı yüklerin altında tutabilir.

Küçük Enkürlerdeki ısı Yönetimi

IoT cihazları genellikle zorla hava akışına sahip değildir, bu yüzden ısı dağılımı, PCB'nin doğal konveksiyonuna ve iletime bağlıdır. En kötü ortamda ısıtıcı ve RF yükselticileri gibi 85°C'ye yerleştirilmelidir.

EMI ve Kablosuz Coexistence

Kablosuz modüller (Wi-Fi, BLE, Zigbee) iletişim bandından gelen tam sayılardan kaçınmak için seçilen gruplar halinde çalışır. 100 kHz'de bir dönüştürücü (kapıda-inductor-kapı) kullanın, bu da 2.4 GHz'den çok uzakta, ancak temel ve anahtar geçiş kenarlarında bir çift geçiş noktasının geçiş noktasının geçişini azaltacaktır.

Pratik Tasarım Örneği: Akıllı Sensör için 3,3 V Isolated Flyback Converter

Bu ilkeleri göstermek için, birincil yönle bir sineklik cihazı olan tipik bir akıllı sıcaklık sensörü düşünün.Afs # 5,65 W) evrensel AC girişi ile tam bir hıza ulaşır.The goal standby power is less than 50 mW.the baseline topology is a flybackifier with primary-side regulations. A flyer="noopener norefer="https://www.onemi.com/products/power- management/ac-dc-dep1342" hedef=" blank" rel="noopener norefer="html

IoT cihazları daha enerji bilinçli hale geldiğinde, yeni dönüştürücü mimariler ortaya çıkıyor. Gallium nitride (GaN) transistörler hala silikon MOSFET'den daha düşük bir kapı şarjı ve çıktı kapasitesi, yüksek verimliliği korumak için dönüştürücü frekansları aşıyorlar.Bu, aşırı derecede kompakt dönüştürücüler (planlayıcılar veya hatta aşırı yükleme sistemleri doğrudan yüksek çözünürlükte olan militarizleri kontrol eden veya özel bir kapı sürücülerin kapatılmasına izin veriyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Düşük güç AC-to-DC dönüştürücüleri IoT cihazları için tasarlayın, temel olarak birincil yön ve patlama kabiliyeti ile, temel olarak, temel yük verimliliği, minim ve operasyonel modların boyut, verimlilik, maliyet ve elektromanyetik uyumluluk ile etkileşime girilmesi ve özellikle de iletkenlik, ısıyı azaltmak ve yıllarca güvenilir bir işlem sağlamak için en pratik çözümü kalır.