Stand-byvermogen van apparaten minimaliseren

Met IoT wordt connectiviteit steeds belangrijker omdat het een goede communicatie mogelijk maakt en als een Hierdoor wordt het stand-by verbruik een echte uitdaging.

Smartphones en huishoudelijke apparaten behoren tot de toepassingen die de afgelopen jaren zijn geëvolueerd. Een van de grote uitdagingen is het optimaliseren van het energieverbruik naarmate er steeds meer apparaten op de markt komen. Met IoT wordt connectiviteit steeds belangrijker omdat het een goede communicatie mogelijk maakt en als gevolg daarvan wordt het energieverbruik in stand-by van apparaten een echte uitdaging. Power Integrations heeft LinkSwitch-TNZ aangekondigd, een nieuwe IC-familie voor schakelende voedingen die het stand-byverbruik in smart home-toepassingen en apparaten vermindert om een ​​aantal van deze uitdagingen op te lossen.

In een interview met Power Electronics News wees Adnaan Lokhandwala - Senior Product Marketing Manager bij Power Integrations erop dat veel apparaten tegenwoordig in de stand-bymodus werken en, om aan verschillende wettelijke vereisten te voldoen, nieuwe oplossingen die offline stroomconversie en verliesvrije nuldoorgangsdetectie combineren en optioneel zijn X-condensatorontladingsfuncties vereist.

“Typische smart home-producten zijn onder meer schakelaars en verschillende stekkers die continu verbonden blijven met de lijn. En natuurlijk communiceren ze ook constant met smartphones. Dus het stroomverbruik in stand-by is een van de belangrijkste uitdagingen bij deze producten. Studies tonen aan dat een aantal apparaten constant wachten op stroom, goed voor 10% van het energieverbruik van huishoudens, en 80 tot 90% van de tijd dat ze overdag in stand-bymodus staan ​​zonder enige functie uit te voeren. Rookmelders moeten bijvoorbeeld door regelgeving worden aangesloten op de AC-lijn, maar de inschakelduur van die rookmelder is ondiep. Slimme apparaten moeten ook voldoen aan bepaalde regionale voorschriften op het gebied van energieverbruik, inclusief stand-byverbruik. Zo heeft Europa bijvoorbeeld de EC 1275, die het maximale verbruik voor in Europa verkochte apparaten beperkt tot 500 milliwatt wanneer ze uitgeschakeld zijn of in de stand-bymodus staan”, zegt Lokhandwala.

Figuur 1:LinkSwitch-TNZ-familie:stroomconversie voegt nul-kruisdetectie en X-condensatorontlading toe (bron:stroomintegratie)

Schakeloplossingen

We moeten ons bewust zijn van de beperkingen van stand-by, en vermindering van verliezen om de efficiëntie te verhogen, zou de mantra moeten zijn voor elk nieuw ontwerpproces. -condensator ontlading. “AC-zero crossing wordt in verschillende toepassingen gebruikt om het vermogen naar de belastingen, zoals led-lampen, efficiënt te regelen. Helaas is de benadering die tegenwoordig wordt gebruikt erg verliesgevend; het is een heel standaard discreet circuit. De andere functie is om bij veel van deze apparaten aan de veiligheidseisen te voldoen. En vandaag wordt die functie voornamelijk gedaan door weerstanden over die condensatoren te gebruiken (bleed-weerstanden). Als je het hebt over volledige belasting, zijn deze twee functies misschien niet erg belangrijk in termen van verliezen. Maar als je het over stand-by hebt, kan dit een belangrijke factor worden voor het budget voor stand-byvermogen dat ingenieurs hebben bij het ontwerpen van deze producten”, aldus Lokhandwala.

LinkSwitch-TNZ heeft tot doel de mogelijkheid toe te voegen om een ​​verliesvrij nuldoorgangssignaal en x-condensatorontlading met dezelfde switcher te combineren. “De implementatie is een zeer eenvoudige niet-geïsoleerde back-converter. Het mooie van deze benadering is dat je de belangrijkste uitgangsspanningen kunt afleiden die nodig zijn, met een niet-geïsoleerde benadering. Veel van de toepassingen van vandaag - zelfs in slimme huizen - vereisen geen geïsoleerde voeding, omdat er geen direct menselijk contact is en de isolatie eigenlijk uit de behuizing komt. Dus als u denkt aan slimme wandschakelaars, hoeft de voeding niet te worden geïsoleerd. Natuurlijk kun je hierdoor ook het gebruik van aangepaste transformatoren vermijden”, zegt Lokhandwala.

Apparaten zoals schakelaars, dimmers, sensoren en stekkers verbinden en ontkoppelen de AC-lijn periodiek met behulp van een relais of TRIAC. “Een van de uitdagingen bij het aansluiten van een relais is de juiste synchronisatie bij het in- en uitschakelen – de overgang in dit alles is erg belangrijk. En dan natuurlijk de relaisdriver om de juiste stroom te leveren”, zegt Lokhandwala.

Een discrete schakeling wordt typisch gebruikt om het nuldoorgangspunt van de AC-lijn te detecteren om de power-on-overgang van het hoofdvoedingsapparaat te regelen om schakelverliezen en inschakelstroom te verminderen. De stuklijst van deze aanpak is beslist oneconomisch.

“Wat er gebeurt, is dat er op het moment van inschakelen van het relais een grote inschakelstroom is die erg hoog kan zijn. Hetzelfde geldt voor het uitschakelproces, en beide gevallen kunnen een impact hebben op de levensduur van het relais - en natuurlijk ook op de levensduur van het product", zegt Lokhandwala.

Power Integrations beweert dat LinkSwitch-TNZ IC's, door de nuldoorgang AC-lekdetectie op de chip te integreren, uitstekende efficiëntie bij lichte belasting bieden, waardoor meerdere systeemfuncties kunnen worden gevoed terwijl ze nog steeds voldoen aan strenge stand-byvoorschriften, zoals de norm van de Europese Commissie (EC) voor huishoudelijke apparaten (1275) waarvoor apparatuur niet meer dan 0,5 W mag verbruiken in stand-by of uit-modus. Optioneel kan ook een X-condensator-ontladingsfunctie in het pakket worden opgenomen voor toepassingen met een hoog vermogen.

Figuur 2:Zero-cross detectie levert een logisch signaal wanneer VAC door 0 V gaat. Signaal dat wordt gebruikt om het inschakelen van de voeding te synchroniseren via relais of TRIAC. Door te schakelen bij VAC =0 wordt de inschakelstroom drastisch verminderd (Bron:Power Integrations)

Figuur 3:Zero-Cross Detection reduceert in-rush stroom in relais-geschakelde applicaties drastisch (bron:Power Integrations)

"Normaal gesproken wordt de x-condensator gebruikt voor ontwerpen met een hoger vermogen. een x-condensator is typisch een filtercondensator die om EMI-redenen en RFI direct over de AC-lijn is aangesloten, waardoor die ruis wordt geminimaliseerd. Dus naarmate het vermogensniveau hoger wordt, worden die x-condensatoren groter en is de impact van ontluchtingsweerstanden veel groter. Meestal is de condensatorontladingsfunctie relevanter in apparaten”, zegt Lokhandwala.

Het blokschema in figuur 3 toont een traditionele mechanische schakelaar in huizen, die nu wordt vervangen door intelligentere apparaten. Er is een draad aangesloten op de invoer en uitvoer... in feite is er geen nuldraad aangesloten op het systeem.

Figuur 4:Ondersteuning van niet-neutrale slimme schakelaars (bron:stroomintegraties)

Figuur 5:Standby-vermogen in huishoudelijke apparaten verminderen met actieve X-condensatorontlading (bron:stroomintegraties)

"Historisch gezien was dat geen probleem met mechanische schakelaars, omdat je geen nulleider nodig hebt, omdat ze geen elektronica hebben. Maar nu, wanneer je deze slimme producten maakt, stop je functionaliteit erin, wat betekent dat je een constante energiebron nodig hebt om deze elektronische apparaten van stroom te voorzien. Dus in een typisch slim apparaat zou je een relaisstuurprogramma, een AC DC-voeding en een nuldoorgang, discrete schakeling hebben die gewoonlijk wordt gebruikt om ervoor te zorgen dat de vertraging op het juiste moment wordt ingeschakeld. En je zou draadloze connectiviteit en enkele sensoren hebben. Ioff is de lekstroom wanneer de belasting is uitgeschakeld, omdat de relais het andere stroompad gebruiken in de hoop te geleiden terwijl ze stand-by staan. Om ervoor te zorgen dat deze stroom extreem laag blijft, moet je het systeem optimaliseren zodat deze uit-stroom laag blijft; als de stroom hoog is, is het resultaat dat bijvoorbeeld de led-lamp gaat branden. Deze stroom kan de ingangscondensator opladen. En als gevolg daarvan zal het de lamp in feite aan- en uitzetten, iets wat je niet wilt. Dit effect wordt LED-flikkering of ghosting genoemd. Met het nieuwe product kunnen we de noodzaak voor een neutrale draad elimineren. En dit is heel gebruikelijk bij huizen en retrofit-toepassingen, want nogmaals, de meeste huizen in Noord-Amerika en Europa en Azië zijn nooit echt bedraad met een neutrale draad. Dus nu moet je een slim systeem ontwerpen dat kan werken met de twee draden of zonder een neutrale draad. En wat we deden, was een compleet referentieontwerp maken, in dit geval een referentieontwerp voor een intelligente dimmerschakelaar op basis van Nordic's BLE-module", zegt Lokhandwala.

De LinkSwitch-TNZ schakelende voeding-IC's maken ±3% regeling op de lijn en belasting mogelijk, hebben een nullastverbruik van minder dan 30 mW met externe voorspanning en hebben een stand-bystroom van minder dan 100 µA.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, Power Elektronica Nieuws.