智能家居控制器電源解決方案探討

    摘 要：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)來說會(huì)很大，輸入能量經(jīng)過變壓器傳輸降壓后，通過整流濾波電路和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)過變壓器隔離，提高了安全等級(jí)，價(jià)格成本相對(duì)來說也比較低。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