Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)近期針對物聯網系統的電源應用與設計趨勢,製作了一篇電源Q&A文章,內容主要探討物聯網智能應用對電源解決方案的需求,以及相關的技術發展趨勢,同時也介紹Silicon Labs最新發佈滿足物聯網增長需求的高整合度乙太網供電(PoE)晶片以及Wireless Gecko Series 2無線SoC平台的特性及功能優勢,以協助工程師實現更高效率且節能的物聯網系統電源設計。

 

1. 物聯網/智慧應用已成為近年的新趨勢之一,將為電源設計帶來哪些新的需求?

Silicon Labs物聯網的潮流驅動辦公室、商場和倉庫的商用系統不斷添加智慧化的設計。現代化的智慧辦公室在改善工作環境的同時也必須減少能源消耗;商場和體育場使用無線連接,以更好地服務客戶並追蹤入住率;而新型感測器和射頻電子標籤也持續革新倉庫中的資產跟蹤技術。

 

上述系統既需要電源又需要資料管理,對於一些電池供電的系統,電池可以使用數年,但在耗電量較大的應用程式中,如無線接入點,單純依靠電池的電量就會有所限制。對此,乙太網供電(PoE)通過在一條電纜上傳輸電能和資料來解決這個問題。由於乙太網電纜在商業環境中很常見,所以PoE很容易部署在現有電纜上,大多數乙太網交換機都有包含PoE的選項。PoE晶片的最新進展解決了IEEE合併性、DC-DC轉換器和EMI對終端系統的挑戰,使PoE成為物聯網系統的一個理想的電源供應解決方案。

 

物聯網的迅速擴張,推動了對PoE+技術的需求,包括IP攝像頭、智慧照明燈具、功能豐富的視頻IP電話、先進的802.11無線接入點和智慧家電。這些應用程式都需要更高的功率,從而帶動可支援PoE+標準的電力設備(PD)的需求增加。例如,最新的帶有平移/傾斜/變焦等功能的電動定位IP攝像機會給電源帶來沉重的負荷,而新一代PoE+技術可支援30瓦的電源來滿足這些苛刻的應用。

 

Silicon Labs的Si3406x系列是一個理想的PD介面解決方案,可説明設計人員加速實現支援PoE+標準的物聯網產品,並落實在住宅,商業和工業環境等各種應用環境。

 

對於智慧家居應用程式,如連接照明和安全系統,通常會看到電池供電和線路供電系統的混合布建方式。這些系統大多使用Wi-Fi、藍牙、Zigbee和Z-Wave等無線連接將資料傳輸到雲端進行處理和分析。對於這些無線物聯網應用程式,尤其是電池供電的應用程式來說,將功耗降至最低是至關重要的。

 

甚至聯網LED燈泡等線路供電的應用也需要節能技術,以最大限度地減少散熱,並滿足能源之星(Energy Star)和加州Title 20等監管要求。在節能方面,《能源之星》和Title 20規定了設備在“斷電”狀態下可以消耗多少電能,這通常被稱為備用電源,例如電源配件在插入電源時會浪費。以線路供電的連接設備中的射頻收發器通常是開著的,即使設備本身是關閉的,例如,當連接的燈泡關閉時,RF仍然處於接收模式,因此可以通過RF命令控制它。重要的是,無線電在這種模式下需要盡可能省電,以達成最大化的備用電源。

 

為了將RF能量降到最低,目前較先進的無線SoC和模組均通過集成式的節能功能來解決電源管理問題,這些功能使最終產品能夠滿足嚴格的綠色能源法規,並延長了供電設備的電池壽命。

 

2. 面向PoE的市場需求,Silicon Labs提出哪些解決方案?

Silicon Labs針對廣泛的PoE物聯網應用,Silicon Labs的Si3406x和Si3404電源設備(PD)系列產品在單個PD晶片上包含了所有必要的高壓分立元件。新的PD IC支援IEEE 802.3 PoE+受電能力、效率超過90%的靈活的電源轉換選項、強大的睡眠/喚醒/LED支援模式以及出色的抗電磁干擾能力。這些功能可幫助開發人員在高功率、高效率PoE PD應用中降低系統成本且加快產品上市步伐。

 

另一方面,為了滿足對功率敏感的物聯網終端節點應用的需求,Silicon Labs提供了一系列廣泛的無線連接解決方案,包括Wireless Gecko系列無線SoC和模組產品。低功耗連接是大規模部署物聯網節點的關鍵因素,Silicon Labs的Wireless Gecko產品組合支援多種連接選項,包括Z-Wave、Zigbee、Thread、低功耗藍牙、藍牙mesh、Wi-Fi、2.4 GHz和Sub-GHz頻段的專有協定以及多協定連接功能。

 

值得一提的是,我們採用標準CMOS設計的混合信號無線積體電路,在滿足低功耗要求的同時,可以消除許多分立元件,減少外部元件的使用。Wireless Gecko SoC將Silicon Labs的Gecko系列節能MCU技術與多協議射頻收發器結合在一個具有可擴充記憶體選項的平臺解決方案中。Gecko技術的特點還包括結構良好的電源模式、超快的喚醒/睡眠轉換和週邊反射系統(PRS),使單片機核心睡眠時能夠自主操作低功耗週邊設備。

 

3. 與同類產品相比,Silicon Labs電源產品的特點是什麼?

Silicon Labs我們的Si3406x IC集成了PoE+ PD應用所需的所有電源管理和控制功能,把10/100/1000BASE-T乙太網連接提供的高壓轉換為穩定的低壓輸出供電。通過使用經濟的片外元件,同時保持高性能,優化的架構最大限度的減少了印製電路板(PCB)面積和片外BOM成本。

 

與Si3406x系列產品互補,Si3404 IC為低功率15W PoE PD應用提供相容802.3 Type 1標準的高性價比產品。Si3404在極小封裝內集成了低功率PD應用所需的全部介面和控制功能。

 

Silicon Labs的新型Wireless Gecko第二代平臺-Series 2旨在通過更低的有源電流提高處理能力、改善RF性能和降低功耗,同時提供更高級別的安全性。物聯網開發人員經常要在產品設計中權衡功耗、無線範圍、尺寸、安全性和成本。第二代平臺的無線協定組合提供了高度集成SoC選項以簡化物聯網產品的設計,使射頻通信更可靠且能源效率更高。

 

Wireless Gecko第二代平臺採用低功耗40nm製造工藝技術生產,進一步降低活動電流(50.9µA / MHz)以滿足嚴格的綠色能源需求,例如加州Title 20規範的LED燈泡。第二代平臺的高輸出功率和出色的靈敏度消除了外部RF前端模組的需要,集成功率放大器和Balun也降低了射頻匹配的成本,DC-DC轉換器無需外接電感,進一步降低BOM成本。

 

除了PoE IC和無線SoC以外,Silicon Labs還提供哪些服務來説明工程師加速產品設計?

Silicon Labs我們提供全面的硬體和軟體發展工具,為廣泛的物聯網應用簡化設計流程,並加快產品上市時間。

 

為了説明開發人員減少PoE應用程式的開發時間和成本,Silicon Labs為Si3406x和Si3404系列產品提供了支援多種隔離和非隔離的電源拓撲結構。該穩壓器由一個集成的電源開關FET作為補充。這種靈活性以及Silicon Labs完整的PoE PD參考設計使得開發人員能夠更輕鬆的部署關鍵電源子系統。所有PoE工具包都包括開源的示意圖、BOM和板佈局,以幫助設計師將PoE添加到他們的最終應用程式中。此外,Si3404和Si3406x的設計指南詳細介紹了如何設計PoE系統和高效DC-DC轉換器。

 

Silicon Labs的Simplicity Studio具有一鍵訪問功能,可以讓開發人員通過集成式開發環境(IDE)完成專案所需的所有內容,簡化無線應用程式的開發過程。Simplicity Studio還包括一套功能強大的工具,用於能源分析、配置和無線網路分析,以及演示、軟體示例、完整的文檔、技術支援和社區論壇。這些集成的工具和特性結合在一起,使嵌入式開發變得簡單和高效,適合所有技術水準的物聯網開發人員。

 

舉例來說,電池驅動的物聯網應用,如可穿戴設備、無線感測器節點和智慧燃氣/水錶,需要卓越的能源效率來延長電池壽命,Simplicity Studio的能源分析(energy profiler)為開發人員提供了一個即時優化能耗的強大工具,通過直觀的使用者介面、易用性、優異的能源分析準確性和可靠性,幫助開發人員優化他們的物聯網設計,以實現超低能耗和更長的電池壽命。

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