电源管理IC如何支持智能建筑

得益于现代控制和自动化技术和技术，智能建筑可以节省大量能源，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投资组合能源管理。通过将设备数据联网到云，可以使用人工智能 （AI） 的进步实时运行分析，以确定要采取的行动。自动化在建筑物中最普遍的用途是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用于管理、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。由于问题可以实时识别，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（如图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，系统可以感知照明水平并自动调整以匹配一天中的时间或提供阴影，以确保最佳利用自然光而不会产生眩光。

图2.智能建筑系统

更小的尺寸和电源效率是关键

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、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进行通信。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。当今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，从而提高吞吐量。

随着智能建筑中智能互联网连接设备的激增，现场每个控制器、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容纳其他电子设备，提高能源效率以在相同或更低的热预算内运行，以及提高电气/机械安全性和可靠性以减少停机时间。

小型化推动了对更小PCB尺寸的需求，这带来了散热挑战。因此，电源解决方案必须非常高效，因为它在占用更小面积的同时提供更高的功率。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）。常用输出电压为 3.3V 和 5V，电流从小型传感器的 10mA 到运动控制、CNC 和 PLC 应用中的数十安培不等。这使得降压稳压器成为建筑和工业控制应用的不二之选（图 3）。

图3.完全集成的同步降压转换器

随着传感器越来越常用，另一个需要解决的重要问题是：如何安全地为微型传感器提供低压电源，同时最大限度地减小解决方案尺寸并最大限度地提高效率？无论环境如何，检测和诊断许多参数并做出决策的传感器都必须耐用可靠。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，建筑物可能是一个非常具有挑战性的环境，需要安装传感器，这需要与电源进行长电缆连接，从而导致高压瞬变。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，这些瞬变远高于传感器的工作电压。如前所述，对于 24V 电源轨，最好依赖最大工作电压为 42V 的器件。

隔离和保护电路的重要性

根据 SELV/FELV 法规，低于 60V 的输入电压本质上是安全的，但出于功能安全性和可靠性原因，在此工作范围内仍然普遍需要隔离。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。隔离还有助于防止接地回路，接地回路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带来更舒适、更节能的家庭和办公室。但这些技术也给能源效率、小型化和系统可靠性带来了挑战。电源管理IC可以帮助应对这些挑战。有关此主题的更深入探讨，请阅读智能建筑的电源管理设计指南。

审核编辑：郭婷