Silicon Labs(亦称“芯科科技”)近期针对物联网系统的电源应用与设计趋势,制作了一篇电源Q&A文章,内容主要探讨物联网智能应用对电源解决方案的需求,以及相关的技术发展趋势,同时也介绍Silicon Labs最新发布满足物联网增长需求的高集成度以太网供电(PoE)芯片以及Wireless Gecko Series 2无线SoC平台的特性及功能优势,以协助工程师实现更高效率且节能的物联网系统电源设计。

 

1. 物联网/智能应用已成为近年的新趋势之一,将为电源设计带来哪些新的需求?

Silicon Labs物联网的潮流驱动办公室、商场和仓库的商用系统不断添加智能化的设计。现代化的智能办公室在改善工作环境的同时也必须减少能源消耗;商场和体育场使用无线连接,以更好地服务客户并追踪入住率;而新型传感器和射频电子标签也持续革新仓库中的资产跟踪技术。

 

上述系统既需要电源又需要数据管理,对于一些电池供电的系统,电池可以使用数年,但在耗电量较大的应用程序中,如无线接入点,单纯依靠电池的电量就会有所限制。对此,以太网供电(PoE)通过在一条电缆上传输电能和数据来解决这个问题。由于以太网电缆在商业环境中很常见,所以PoE很容易部署在现有电缆上,大多数以太网交换机都有包含PoE的选项。PoE芯片的最新进展解决了IEEE合并性、DC-DC转换器和EMI对终端系统的挑战,使PoE成为物联网系统的一个理想的电源供应解决方案。

 

物联网的迅速扩张,推动了对PoE+技术的需求,包括IP摄像头、智能照明灯具、功能丰富的视频IP电话、先进的802.11无线接入点和智能家电。这些应用程序都需要更高的功率,从而带动可支持PoE+标准的电力设备(PD)的需求增加。例如,最新的带有平移/倾斜/变焦等功能的电动定位IP摄像机会给电源带来沉重的负荷,而新一代PoE+技术可支持30瓦的电源来满足这些苛刻的应用。

 

Silicon Labs的Si3406x系列是一个理想的PD接口解决方案,可帮助设计人员加速实现支持PoE+标准的物联网产品,并落实在住宅,商业和工业环境等各种应用环境。

 

对于智能家居应用程序,如连接照明和安全系统,通常会看到电池供电和线路供电系统的混合布建方式。这些系统大多使用Wi-Fi、蓝牙、Zigbee和Z-Wave等无线连接将数据传输到云端进行处理和分析。对于这些无线物联网应用程序,尤其是电池供电的应用程序来说,将功耗降至最低是至关重要的。

 

甚至联网LED灯泡等线路供电的应用也需要节能技术,以最大限度地减少散热,并满足能源之星(Energy Star)和加州Title 20等监管要求。在节能方面,《能源之星》和Title 20规定了设备在“断电”状态下可以消耗多少电能,这通常被称为备用电源,例如电源配件在插入电源时会浪费。以线路供电的连接设备中的射频收发器通常是开着的,即使设备本身是关闭的,例如,当连接的灯泡关闭时,RF仍然处于接收模式,因此可以通过RF命令控制它。重要的是,无线电在这种模式下需要尽可能省电,以达成最大化的备用电源。

 

为了将RF能量降到最低,目前较先进的无线SoC和模块均通过集成式的节能功能来解决电源管理问题,这些功能使最终产品能够满足严格的绿色能源法规,并延长了供电设备的电池寿命。

 

2. 面向PoE的市场需求,Silicon Labs提出哪些解决方案?

Silicon Labs针对广泛的PoE物联网应用,Silicon Labs的Si3406x和Si3404电源设备(PD)系列產品在单个PD芯片上包含了所有必要的高压分立元件。新的PD IC支持IEEE 802.3 PoE+受电能力、效率超过90%的灵活的电源转换选项、强大的睡眠/唤醒/LED支持模式以及出色的抗电磁干扰能力。这些功能可帮助开发人员在高功率、高效率PoE PD应用中降低系统成本且加快产品上市步伐。

 

另一方面,为了满足对功率敏感的物联网终端节点应用的需求,Silicon Labs提供了一系列广泛的无线连接解决方案,包括Wireless Gecko系列无线SoC和模块产品。低功耗连接是大规模部署物联网节点的关键因素,Silicon Labs的Wireless Gecko产品组合支持多种连接选项,包括Z-Wave、Zigbee、Thread、低功耗蓝牙、蓝牙mesh、Wi-Fi、2.4 GHz和Sub-GHz频段的专有协议以及多协议连接功能。

 

值得一提的是,我们采用标准CMOS设计的混合信号无线集成电路,在满足低功耗要求的同时,可以消除许多分立元件,减少外部元件的使用。Wireless Gecko SoC将Silicon Labs的Gecko系列节能MCU技术与多协议射频收发器结合在一个具有可扩展内存选项的平台解决方案中。Gecko技术的特点还包括结构良好的电源模式、超快的唤醒/睡眠转换和外围反射系统(PRS),使单片机核心睡眠时能够自主操作低功耗外围设备。

 

3. 与同类产品相比,Silicon Labs电源产品的特点是什么?

Silicon Labs我们的Si3406x IC集成了PoE+ PD应用所需的所有电源管理和控制功能,把10/100/1000BASE-T以太网连接提供的高压转换为稳定的低压输出供电。通过使用经济的片外元件,同时保持高性能,优化的架构最大限度的减少了印制电路板(PCB)面积和片外BOM成本。

 

与Si3406x系列产品互补,Si3404 IC为低功率15W PoE PD应用提供兼容802.3 Type 1标准的高性价比产品。Si3404在极小封装内集成了低功率PD应用所需的全部接口和控制功能。

 

Silicon Labs的新型Wireless Gecko第二代平台-Series 2旨在通过更低的有源电流提高处理能力、改善RF性能和降低功耗,同时提供更高级别的安全性。物联网开发人员经常要在产品设计中权衡功耗、无线范围、尺寸、安全性和成本。第二代平台的无线协议组合提供了高度集成SoC选项以简化物联网产品的设计,使射频通信更可靠且能源效率更高。

 

Wireless Gecko第二代平台采用低功耗40nm制造工艺技术生产,进一步降低活动电流(50.9µA / MHz)以满足严格的绿色能源需求,例如加州Title 20规范的LED灯泡。第二代平台的高输出功率和出色的灵敏度消除了外部RF前端模块的需要,集成功率放大器和Balun也降低了射频匹配的成本,DC-DC转换器无需外接电感,进一步降低BOM成本。

 

除了PoE IC和无线SoC以外,Silicon Labs还提供哪些服务来帮助工程师加速产品设计?

Silicon Labs我们提供全面的硬件和软件开发工具,为广泛的物联网应用简化设计流程,并加快产品上市时间。

 

为了帮助开发人员减少PoE应用程序的开发时间和成本,Silicon Labs为Si3406x和Si3404系列产品提供了支持多种隔离和非隔离的电源拓扑结构。该稳压器由一个集成的电源开关FET作为补充。这种灵活性以及Silicon Labs完整的PoE PD参考设计使得开发人员能够更轻松的部署关键电源子系统。所有PoE工具包都包括开源的示意图、BOM和板布局,以帮助设计师将PoE添加到他们的最终应用程序中。此外,Si3404和Si3406x的设计指南详细介绍了如何设计PoE系统和高效DC-DC转换器。

 

Silicon Labs的Simplicity Studio具有一键访问功能,可以让开发人员通过集成式开发环境(IDE)完成项目所需的所有内容,简化无线应用程序的开发过程。Simplicity Studio还包括一套功能强大的工具,用于能源分析、配置和无线网络分析,以及演示、软件示例、完整的文档、技术支持和社区论坛。这些集成的工具和特性结合在一起,使嵌入式开发变得简单和高效,适合所有技术水平的物联网开发人员。

 

举例来说,电池驱动的物联网应用,如可穿戴设备、无线传感器节点和智能燃气/水表,需要卓越的能源效率来延长电池寿命,Simplicity Studio的能源分析(energy profiler)为开发人员提供了一个实时优化能耗的强大工具,通过直观的用户界面、易用性、优异的能源分析准确性和可靠性,帮助开发人员优化他们的物联网设计,以实现超低能耗和更长的电池寿命。

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