智能家居控制器电源解决方案探讨

 随着人们生活水平的提高，对住房的安全性能、智能化、舒适化、美观化、娱乐化提出了新的需求，智能家居的出现正好满足人们的这些要求。智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。其中供电系统是这一切智能设备的心脏，是各个控制系统正常运行的保障。 

一、引言

图一是为某一智能家居结构示意图，从图中可以清晰的看到，智能家居由以下几个方面构成：灯光、插座控制系统；背景音乐系统；电动窗帘、电动门窗等；影音系统；安防系统；综合布线系统等。由于城市住房的紧凑性，因而这些系统的控制器有一个共性要求—小体积，体积大小一般类似为家庭常见的插排，因此要求系统的控制器供电电源也是小体积，才能符合控制器空间的布板要求。且小巧美观的控制器和控制面板更便于实现家居装饰的美观和舒适。 


图一 智能家居结构示意图


二、方案对比

对于控制器电路的电源设计，在传统的设计方案中，工程师见到最多的方案一般有两种：RC阻容式降压和工频变压器降压，结合图二和图三来分析两种方案的特点。 

图二为RC阻容式降压电路在控制板上的应用图，从图中可以看出，电源主要为主控电路、信号隔离和显示电路供电。电源方案为在输入端口处添加浪涌防护电路，确保电源电路工作的可靠性和稳定性；接着是RC阻容式降压电路进行电压的转换，最后经过LDO稳压芯片输出一个稳定的工作电压满足MCU和信号隔离的供电电源。而在电源的输出端口，设置的输出过流检测电路，在电源工作异常的情况下对后端负载进行保护。该方案的优点在于电路成本低，电源电路占板面积小，非常符合智能家居对小体积、低成本的要求。但是不足的地方在于电源的转换效率低，输入电压波动范围小，负载值容易受影响，电路调试相对比较复杂，最大的一点就是产品的输入端与输出端不隔离，容易造成触电，有可能危害人身的安全。 


图二 阻容式电源解决方案





        
图三为变压器降压方案，输入端和输出端电路和RC阻容式降压方案一样，都需要对电压和后端负载做一定的保护，区别就是功率转换为变压器传输，由于输入电压为市电，市电的交流频率为50HZ，因此变压器的体积相对来说会很大，输入能量经过变压器传输降压后，通过整流滤波电路和LDO稳压，最终输出稳定的负载所需的供电电压。该方案的优点在于电源电路很好调试，电路结构也很简单，高压和低压部分经过变压器隔离，提高了安全等级，价格成本相对来说也比较低。但是输入电压的范围受限，最大的缺点就是体积太大，转换效率地，不满足智能家居控制器对小体积、节能环保的要求。 



图三 变压器电源解决方案


图四中采用了开关电源的方案替代RC阻容式降压和变压器的方案，通过开关电源本身参数的设计，实现稳压输出，且附带过流、短路等保护功能，从而实现外围电路简单，高效率、保护功能齐全的特点。由于开关电源采用高频控制的方式，内部变压器可以设计得很小，使得整个开关电源小型化，最终弥补了上述两种方案的缺点。 [page]



图四 开关电源解决方案


三、一款应用于智能家居的典型开关电源产品 

LS 系列--是金升阳为客户提供的小型封装形式的高效绿色模块电源，该系列电源采用包封工艺，具有交直流两用、输入电压范围宽、高效率、高可靠性、低功耗、安全隔离等优点，可广泛适用于智能家居、电力仪表、工业、办公、民用等设备中。 



图五 产品实物图


产品特点： 

●  超宽输入电压:100～400VDC(85～264VAC) 

●  输出短路和过流保护 

●  高效率、高功率密度 

●  低功耗、绿色环保 

●  超小体积 

●  满足UL/CE安规认证 

基本工作介绍原理： 

图五为产品实物图，正常工作状态下，输入电压在输入端的1和3引脚引入，经过整流滤波后到达功率隔离变压器，由高压开关器件和控制器控制能量从功率隔离变压器的初级传输到次级，最后经输出整流滤波电路得到所需的输出电压。当产品的输出后端出现异常导致过流或短路时，控制器检测到电路工作异常，关断输出电压，且当过流或短路消失后，输出电压自动恢复正常。 




        
四、开关电源应用于智能窗帘控制器

图六为小体积开关电源产品在智能窗帘控制器中的应用，系统工作情况如下： 

输入端：由于供电端是交流市电220VAC，市电属于不太稳定的供电电压，正常情况下都会有±10%波动范围，而在比较偏远的地区严重的情况下会达到±30%波动的范围，因此就需要开关电压要有较宽的输入电压范围，LS03-10B05R2产品的工作电压范围是85～264VAC，很好的满足电网波动的范围，使产品工作不受影响。另一方面，电网都不会单纯的只给一个设备供电，还会有其他电子设备，如果接入的是功率很大的设备一起使用该电网，那么大功率设备启动或工作的过程中就有很大可能导致周围其他设备受到干扰，类似于EMC中的快速瞬变脉冲群、浪涌等情况，所以在输入端都会建议增加防护电路，保证系统不受外界干扰影响。 

输出端：由于LS03-10B05R2产品本身就具备了过流保护和短路保护功能，因此无需在输出端设计保护电路就可以直接给负载电路供电，处理器通过处理按键或无线接收模块等输入信息，然后通过光耦等信号隔离器件把控制信息传输给继电器组，进而控制马达来改变窗帘的状态。 


图六 智能窗帘控制器


五、小结

金升阳AC-DC模块电源LS系列产品通过技术人员的不懈努力，在超小体积的基础上满足了安规设计规范，同时，在无浪涌、脉冲群等EMC要求的条件下，LS01-XX/LS03-15BXXSR2只需要按照推荐电路在输入和输出端外接一个滤波电容便可以实现AC输入与DC输入两用。可以满足电力仪表、智能家居等不同行业客户的应用,为广大工程师在设计布局上提供了很大的便利。在《今日电子》主办的电源产品评奖活动中，根据在技术或应用方面取得显著进步、创新设计、性价比显著提高的原则下，荣获TOP-10 电源产品奖；同时为了表彰填补国内技术空白的贡献，喜获自主创新奖