如何讓無線互聯物聯網裝置的功率系統降低待機功耗並提高整合度

作者：Diodes 公司 LED 照明事業部經理 Allan Lin

全世界的家庭和工廠都在擁抱智慧技術，通訊與控制系統的連網程度藉由各種無線技術而不斷提升，要將便利性與效率帶入每個人的生活中。進入物聯網 (IoT) 的世界後，我們隨時隨地都能存取致動器和感測器，用更細膩的角度去檢視設備狀態，進而將資料傳送到雲端進行分析，在系統故障之前預先進行維修。例如，我們可以透過 Wi-Fi、Zigbee 或藍牙低功耗，即時遙控 LED 燈泡，以及選擇適合環境的光線色溫。

所有這些智慧連網裝置都需要低待機功耗，這對功率系統設計人員來說是一大挑戰。功率轉換需在所有負載下維持高效率，包括無線收發器在收發資料封包，或致動器啟動時。但是，這些動作其實不常發生，智慧系統多數時間都在閒置及等待接收指令，這種「閒置負載」的待機狀況對功率轉換不佳的系統來說尤其浪費能源。

極大的挑戰，便是開發針對各種負載範圍將效率優化，擁有恆定穩定輸出電壓的功率轉換器。但由於輸出電壓會隨消耗電流改變，因此這可說是一項相當複雜的設計工作。

法規挑戰

對這類系統的開發人員來說，還有除了功率子系統效能以外的更多挑戰。全世界有許多不同的法規環境，各個不同國家/地區為了滿足其待機功耗、瞬態要求和其他法規，都需要略為不同的功率系統版本。

對智慧連網功率系統的開發人員來說，這項設計挑戰極為複雜，另外對成本敏感的應用也同樣艱難。一個能滿足所有要求的設計，其成本可能相當高昂，而且能源效率也可能比針對特定國家/地區優化的裝置更低。但若是針對不同地區設計個別的產品與拓撲，要管理所有不同的版本又會產生額外的成本。

高整合度

想要解決這些挑戰，我們需要提高智慧連網裝置功率系統內晶片的整合度。透過在同一封裝內整合高電壓 MOSFET 開關與功率控制器，不只能滿足全球所有的法規要求，還能提供功率效率，並降低待機功耗，花很少的錢就能滿足設計人員所需。

例如，AL17050 降壓轉換器可應用於 85V AC 至 265V AC 的 AC 輸入電壓範圍，無論身處任何地區，皆能安心使用此產品。它可產生 3.3V 的恆定電壓，或透過外部電阻器調整為不同的位準，輸出可高達 60mA，讓微控制器為這些無線物聯網節點提供所需電源。

裝置同時也整合過熱、過載、輸出短路和開迴路等狀況的保護功能，並採用小巧的 SOT25 封裝。如此高的整合程度，讓 AL17050 不需要透過光耦合器提供反饋，在降壓轉換器組態下也只需要少數的額外元件，很適合用於空間通常有限的智慧裝置。

能源效率

利用更高程度的整合，深入了解全世界的功率與法規要求，能幫助開發人員完成物聯網和智慧裝置的設計。像 AL17050 這樣高整合度的裝置，能安全接受各種輸入，並產生控制器和無線收發器所需要的恆定電壓，降低要交貨到全球客戶手上之設計的複雜度和成本。

但重要的是，在各種切換頻率的所有負載下大幅提升效率。預計未來幾年內還有數十億部連網裝置要送往世界各地，讓住家和工廠擁抱智慧生活，因此改善能源效率甚為關鍵。它可以省下數百萬噸的二氧化碳排放量，減緩氣候變遷，同時改善產業效率和人類的生活型態。