一块电池、多个 DC / DC 转换器的烟雾探测设计 - 参考设计 - 中国电子技术论坛

[通信设备] 一块电池、多个 DC / DC 转换器的烟雾探测设计

2018-7-12 14:11:12 997 Maxim 烟雾探测器

烟雾探测器是首批物联网 (IoT) 设备之一。它们需要靠一块电池运行 10 年，无需频繁更换电池，可在断电期间正常工作。图 1 所示的是一个典型的现代烟雾报警器，包括一块电池、多个 DC / DC 转换器，一个微控制器、射频通信、一个传感器（其架构可能多种多样）和一个压电蜂鸣器。

图 1 中的表格基于现今可用的元器件列出了每个模块的电流消耗示例值。如果是光学烟雾传感器，驱动 LED 的峰值电流将达到 mA 级别，但平均电流会下降，因为 LED 的工作循环通常相对不频繁。在大多数报警器中，有源电路仅在 0.05％的时间内对空气进行采样，这意味着系统在 99.95％的时间内以静态模式运行。不考虑占空比可能完全不同的射频电路，全功率模式下的主电路将消耗 12.6 mA。静态时，主电路消耗 5.5 μA。因此，有源电路每秒消耗的平均电流为 12.6 mA x 0.0005 = 6.3 µA，得出平均电流消耗为 11.8 μA。现在，高于 1 μA 的静态电流开始影响系统电池寿命。在 ~10 µA 的电流消耗范围内，电流消耗每增加 1 μA，则 1500 mAhr 电池的寿命将减少一年。

[td]

元件	典型工作电流	典型静态电流
微控制器	10 mA	2.5 µA
传感器	1 mA	2.5 µA
DC/DC*	1.6 mA	500 nA

*DC/DC 能耗基于能源效率为 ~90% 的 15 mA 输出电流。

图 1：典型的现代烟雾报警器在大多数情况下以静态模式运行，因此静态电流越低，其电池寿命越长。

毫微功耗的另一个优点源自可以关闭系统内电路的功能。在这种类型的架构中，电池监控和实时时钟之类的关键元器件保持开启，而微控制器和 RF 电路等主要耗电器件则关闭或进入其最低功耗模式。图 2 中的电路为用于监控电池电压的毫微功耗窗口比较器。比较器仅在电池电压高于或低于允许电压时发出警报，提供有价值的安全功能并延长电池使用寿命。系统微控制器不需要工作，除非从以典型 900 nA 电流运行的比较器接收到报警。从本质上讲，这成为了一种智慧能源架构，可以尽可能节省能源，同时剥离必须始终通电之功能的特定电路。

图 2：监控电池电压的毫微功耗窗口比较器。

最后一个示例是适配器或电池电源，通常称为 ORing 二极管电源。在这种电源中，优秀的设计师将肖特基二极管与电池电源串联以限制压降，并因此限制二极管的功率损耗，同时保护电路（图 3）。例如，承载 1 A 电流时，Maxim 的新型 MAX40200 仅降低 85 mV，承载 500 mA 时，通常会降低 43 mV。这种性能比典型的肖特基二极管高出两到四倍，以智能方式进一步节省数十至数百毫瓦的电池电量。

图 3：承载 1 A 电流时，MAX40200 仅降低 85 mV。所有这些与咖啡有何关联？就像咖啡一样，架构正在改变。各种子系统基本上与中央处理器断开，然后定期连接，从而显著降低该过程中的能耗。高级处理能力和模拟架构将这些构件的功耗降至前所未有的低水平。新型智慧能源运动不仅仅涉及能源测量和通信。新型智慧能源是结合先进元器件的智能系统架构，在解锁新应用程序的同时提高系统电池寿命和可靠性。