デバイスの待機電力を最小限に抑える

IoTでは、適切な通信を維持できるため、接続性がますます重要になり、その結果、スタンバイの消費が大きな課題になりつつあります。

スマートフォンや家電製品は、近年進化したアプリケーションのひとつです。重要な課題の1つは、ますます多くのデバイスが市場に参入するにつれて、エネルギー消費を最適化することです。 IoTでは、適切な通信を維持できるため、接続性がますます重要になり、その結果、デバイスの待機電力消費が大きな課題になりつつあります。 Power Integrationsは、これらの課題のいくつかを解決するためにスマートホームアプリケーションおよびアプライアンスのスタンバイ消費を削減する新しいスイッチング電源ICファミリであるLinkSwitch-TNZを発表しました。

Power ElectronicsNewsのインタビューで、PowerIntegrationsのシニアプロダクトマーケティングマネージャーであるAdnaanLokhandwalaは、今日、多くのデバイスがスタンバイモードで動作し、さまざまな規制要件を満たすために、オフラインの電力変換と損失のないゼロクロス検出を組み合わせた新しいソリューションを指摘しました。オプションで、Xコンデンサ放電機能が必要です。

「典型的なスマートホーム製品には、回線に継続的に接続されたままのスイッチやさまざまなプラグが含まれます。そしてもちろん、彼らは常にスマートフォンと通信しています。したがって、スタンバイ電力消費は、これらの製品の重要な課題の1つです。調査によると、多くのデバイスが常に電力を待機しており、家庭のエネルギー使用量の10％を占め、日中は機能を実行せずにスタンバイモードになっている時間の80〜90％を占めています。たとえば、煙探知器は規制によってACラインに接続する必要がありますが、その煙探知器のデューティサイクルは浅いです。スマートアプライアンスは、スタンバイ消費を含むエネルギー消費に関して、特定の地域規制にも適合している必要があります。そのため、たとえば、ヨーロッパにはEC 1275があり、ヨーロッパで販売されるアプライアンスの最大消費量は、スイッチがオフになっているとき、またはスタンバイモードになっているときに500ミリワットに制限されています」とLokhandwala氏は述べています。

図1：LinkSwitch-TNZファミリ：電力変換によりゼロクロス検出とXコンデンサ放電が追加されます（出典：電力統合）

スイッチングソリューション

スタンバイの制限を認識する必要があり、効率を上げるための損失の削減は、新しい設計プロセスの信条である必要があります。これらのスマートホームおよびアプライアンスアプリケーションで非常に一般的に使用される2つの主要な機能は、ディスクリートACゼロ交差回路とxです。 -コンデンサの放電。 「ACゼロ交差は、LEDランプなどの負荷に流れる電力を効率的に制御するためにいくつかのアプリケーションで使用されています。残念ながら、今日使用されているアプローチは非常に損失があります。これは非常に標準的なディスクリート回路です。もう1つの機能は、これらの多くのアプライアンスで安全要件を満たすことです。そして今日、その機能は主にそれらのコンデンサの両端にある抵抗（ブリード抵抗）を使用して実行されます。さて、全負荷について話しているとき、これら2つの機能は損失の観点からはそれほど重要ではないかもしれません。しかし、スタンバイについて話すとき、これは、エンジニアがこれらの製品を設計するときに持つスタンバイ電力バジェットの重要な要素になる可能性があります」とLokhandwala氏は述べています。

LinkSwitch-TNZは、ロスレスゼロクロッシング信号とxコンデンサ放電を同じスイッチャーで組み合わせる機能を追加することを目的としています。 「実装は非常に単純な非絶縁型バックコンバータです。このアプローチの利点は、非絶縁アプローチを使用して、必要なメイン出力電圧を導出できることです。今日のアプリケーションの多くは、スマートホームであっても、人と直接接触することがなく、実際にはケーシングから絶縁されているため、絶縁された電源を必要としません。したがって、スマートウォールスイッチについて考える場合、電源を分離する必要はありません。もちろん、これにより、カスタムトランスフォーマーの使用を回避することもできます」とLokhandwala氏は述べています。

スイッチ、調光器、センサー、プラグなどのデバイスは、リレーまたはトライアックを使用して定期的にACラインを接続および切断します。 「リレーを接続する際の課題の1つは、オンとオフの切り替えを正しく同期することです。これらすべての移行は非常に重要です。そしてもちろん、正しい電力を供給するためのリレードライバーを用意します」とLokhandwala氏は言います。

通常、ディスクリート回路を使用してACラインのゼロ交差点を検出し、主電源デバイスのパワーオン遷移を制御して、スイッチング損失と突入電流を低減します。このアプローチのBOMは明らかに不経済です。

「何が起こるかというと、リレーをオンにした瞬間に、非常に高い突入電流が発生する可能性があります。スイッチオフプロセスでも同じことが言え、どちらの場合もリレーの寿命に影響を与える可能性があります。もちろん、この場合、製品の寿命にも影響を与える可能性があります」とLokhandwala氏は述べています。

Power Integrationsは、ゼロクロスACリーク検出をチップに統合することにより、LinkSwitch-TNZ ICは優れた軽負荷効率を提供し、欧州委員会（EC）規格などの厳しいスタンバイ規制を満たしながら複数のシステム機能に電力を供給できると主張しています。スタンバイモードまたはオフモードで消費する機器が0.5W以下である必要がある家電製品（1275）の場合。オプションで、Xコンデンサ放電機能を高電力アプリケーションのパッケージに含めることもできます。

図2：ゼロクロス検出は、VACが0Vを通過するときに論理信号を提供します。リレーまたはトライアックを介して電源のターンオンを同期するために使用される信号。 VAC =0で切り替えることにより、突入電流が劇的に減少します（出典：Power Integrations）

図3：ゼロクロス検出により、リレースイッチアプリケーションの突入電流が大幅に削減されます（出典：電力統合）

「通常、xコンデンサは高電力設計に使用されます。 xコンデンサは通常、EMIの理由とRFIのためにACラインの両端に直接接続され、そのノイズを最小限に抑えるフィルタコンデンサです。したがって、電力レベルが高くなると、それらのxコンデンサは大きくなり、ブリーダ抵抗の影響ははるかに大きくなります。通常、コンデンサ放電機能は電化製品に関連性があります」とLokhandwala氏は述べています。

図3のブロック図は、住宅の従来の機械式スイッチを示していますが、現在はよりインテリジェントなデバイスに置き換えられています。入力と出力に接続されたワイヤがあります…基本的に、システムに接続された中性線はありません。

図4：ニュートラルでないスマートスイッチのサポート（出典：電源統合）

図5：アクティブなXコンデンサ放電を使用した家電製品の待機電力の削減（出典：電力統合）

「これまでは、電子機器がないため中性線が必要ないため、機械式スイッチでは問題になりませんでした。しかし今、これらのスマートな製品を作るとき、あなたは機能を内部に入れています。つまり、これらの電子機器に電力を供給するために一定のエネルギー源が必要です。したがって、一般的なスマートデバイスでは、リレードライバー、AC DC電源、および遅延が適切なタイミングでオンになるようにするために一般的に使用されるゼロ交差のディスクリート回路があります。そして、あなたは無線接続といくつかのセンサーを持っているでしょう。 Ioffは、負荷がオフのときの漏れ電流です。リレーは、スタンバイ中に導通することを期待して他の電流経路を使用するためです。この電流を非常に低く保つには、このオフ電流が低く保たれるようにシステムを最適化する必要があります。電流が大きいと、たとえばLED電球が点灯します。この電流が流れて入力コンデンサを充電する可能性があります。その結果、基本的にランプのオンとオフが切り替わりますが、これは望ましくありません。この効果は、LEDの「ちらつき」またはゴースティングと呼ばれます。そのため、新製品では中性線が不要になります。繰り返しになりますが、北米、ヨーロッパ、アジアのほとんどの住宅は、中性線で実際に配線されたことがないため、これは住宅やレトロフィットアプリケーションで非常に一般的です。したがって、2本のワイヤを使用する場合と中性線を使用しない場合のどちらでも機能するスマートシステムを設計する必要があります。そして、私たちが行ったのは、完全なリファレンスデザインを作成することでした。この場合、これは、NordicのBLEモジュールに基づくインテリジェント調光スイッチのリファレンスデザインです」とLokhandwala氏は述べています。

LinkSwitch-TNZスイッチモード電源ICは、ラインと負荷の±3％のレギュレーションを可能にし、外部バイアスを使用した場合の無負荷消費量は30 mW未満、スタンバイ電流は100 µA未満です。

>>この記事は、もともと姉妹サイトのPowerで公開されました。エレクトロニクスニュース。