智能家居技术的飞速发展带来了更便捷的生活体验，但与此同时，无零线系统和低功耗设计的挑战也日益突出。特别是在旧房改造和没有零线的环境下，智能设备的安装与使用面临诸多技术难题。Power Integrations作为高能效AC-DC电源解决方案的领先者，在这些挑战的应对上发挥了关键作用。本文将结合Power Integrations的先进技术，探讨智能家居领域无零线系统与低功耗设计的趋势与挑战。
一、无零线系统的挑战
无零线系统的设计初衷是为了方便旧房改造以及没有布置零线的环境下的智能设备安装。传统的电气系统中，电器设备通常需要接入火线和零线以确保正常运作。智能家居设备往往需要持续供电，以维持其联网状态、数据传输以及功能操作。在这种情况下，零线的缺失会给系统的设计带来一系列挑战。
供电问题在无零线环境下，智能设备只能通过火线获取电源，这对设备的电源管理提出了很高的要求。许多智能设备需要在低电压和低功耗的情况下持续工作，因此如何在没有零线的情况下有效获取和分配电力是一个技术难题。
电气安全性无零线系统在供电和设计上面临的另一个挑战是电气安全问题。由于没有零线，设备的接地保护效果不如传统系统好，这会增加漏电、触电等风险。设计人员需要采取额外的保护措施，如加入电子隔离和过载保护，以确保用户的使用安全。
系统兼容性无零线系统的兼容性问题也是一个值得关注的挑战。由于国内外电网标准不一，智能家居设备在不同地区的适应性存在较大差异。设计人员需要针对不同的电气环境设计兼容的解决方案，以确保设备可以在全球市场上稳定运行。
信号传输与稳定性智能家居设备通常通过无线信号进行通信，在无零线系统中，信号的传输与稳定性受到影响。由于设备必须节约电能，无法频繁开启无线模块或维持高强度信号传输，这可能导致数据传输的不稳定性，尤其是在干扰较大的环境中
目前，由于布线的局限性，许多住宅或楼宇无法提供零线，这使得智能开关和其他设备只能通过单火线取电。这种情况下，智能开关通过传感器和联网实现智能控制，但同时也带来了“鬼影”现象的困扰，即在开关断开时，LED灯具会偶尔闪烁。其根本原因在于智能开关的待机电流(ISW_OFF)流经负载，导致电源的大待机电流引发LED灯的闪烁。
为了应对单火线取电的挑战，Power Integrations推出了无需零线连接的BLE智能开关DER-832。这款产品基于LinkSwitch-TN2 LNK3202D开关电源IC设计，能够在90-277 VAC输入下工作，适用于照明控制墙壁开关和调光器、智能遮阳的墙壁开关等应用场景。DER-832支持两线、单线和无零线布线电路设计，并集成了Nordic BLE nRF2382低功耗蓝牙芯片，使得在230 VAC电压下，带BLE负载的漏电流小于100 µA。这一设计不仅有效解决了“鬼影”现象，还为智能家居设备提供了稳定的低功耗解决方案。
带BLE负载的待机漏电流
此外，DER-832还能够通过智能手机应用进行控制，进一步提升了用户体验和设备的智能化水平。Power Integrations的这些创新产品为无零线系统的应用提供了可靠的技术支持，同时满足了用户对于智能化和便利性的需求。
二、低功耗设计的挑战
低功耗设计是智能家居系统中一个核心问题，尤其是在无零线环境下，更需要精细的电源管理来延长设备的使用寿命。智能家居设备通常需要长时间运行，因此低功耗设计在提升用户体验、节约能源和延长电池寿命方面起着至关重要的作用。然而，低功耗的要求也带来了技术上的挑战。智能家居设备的低功耗设计是实现长时间持续运行的关键，尤其是在全球范围内对节能环保的需求日益增加的背景下。随着越来越多的智能设备进入家庭市场，低功耗要求成为制造商面临的主要挑战。Power Integrations凭借其丰富的电源解决方案，在满足这些需求的同时，也为行业树立了新的标准。
计算资源的权衡智能家居设备需要执行大量的计算任务，如环境监测、数据处理、语音识别等。这些任务需要一定的计算资源，而计算资源的增加通常伴随着功耗的增加。因此，设计低功耗设备时，如何在功耗和计算资源之间找到平衡是一个难题。设备需要在保证功能完整性的前提下，尽可能降低计算和通信的能耗。
通信技术的选择智能家居设备通常依赖无线通信技术，如Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等。这些通信协议在实现低功耗方面有着各自的优势和局限。例如，Wi-Fi可以提供较大的数据传输带宽，但功耗较高；而Zigbee和蓝牙则在低功耗方面表现出色，但传输距离和带宽有限。因此，如何选择合适的通信技术以满足低功耗和稳定传输的需求，是设计人员需要重点考虑的问题。
硬件设计的优化在低功耗设计中，硬件电路的优化是至关重要的一环。通过选择低功耗芯片、优化电路设计、减少待机功耗等措施，可以显著降低设备的整体功耗。此外，设计人员还可以通过动态电源管理技术，根据设备的实际工作状态调整供电策略，从而在不同的工作模式下达到功耗的最优化。
软件算法的优化除了硬件设计，软件算法的优化也是低功耗设计中的关键。智能家居设备可以通过优化算法来减少不必要的计算和通信，从而降低功耗。例如，在数据处理方面，设备可以使用更高效的数据压缩和传输算法，减少数据的传输量和处理时间；在感知任务中，设备可以通过事件驱动的方式代替持续的监测，从而降低感知功耗。
能源收集与管理在一些低功耗智能家居设备中，能源收集技术也成为一种解决方案。设备可以通过太阳能、热能或振动能等方式获取环境中的能量，减轻对传统电力的依赖。然而，如何有效收集和管理这些能量，并将其转化为设备可用的电能，也是当前面临的技术挑战之一。
以智能灯泡为例，美国加州Title 20 (Tier-2)标准规定，智能灯具的最大待机功率不得超过200 mW。这一规定凸显了低功耗设计的重要性，因为待机功耗是智能家居设备能耗中的重要组成部分。Power Integrations的产品系列通过领先的技术实现了超低待机功耗和高效能，为智能家居领域的低功耗设计提供了有效的解决方案。
RDK-623是一款典型的低功耗电源解决方案，基于LinkSwitch-TN2 LNK3202D非隔离反激式电源IC设计，具有超低的待机电流功耗，仅为<65 µA。这款设备在85-277 VAC的通用AC输入下工作，并提供负载短路保护和2 kV输入浪涌保护，进一步提升了系统的可靠性。同时，RDK-623的设计仅由19个元件构成，尺寸小巧，非常适合应用于智能家居设备中。
另一个值得关注的产品是DER-631/659，它基于InnoSwitch3-CP INN3268C电源IC，支持5.1 V/6 A、9.2 V/3.3 A、15.3 V/2 A输出，待机功耗低至<30 mW，平均效率高达90%以上。这款产品不仅功耗低，性能也非常出色，特别适合用于高性能的智能家居场景。
RDK-623内部设计框图
此外，DER-815基于InnoSwitch3 INN3268C电源IC设计，支持恒功率输出，待机功耗低至<50 mW，并在通用AC输入电压下满载效率高达92%。该产品特别适用于智能音箱、管状电机等应用场景，为这些设备提供了高效的电源解决方案。
RDK-623超低待机功耗表现
DER-631/659在5.1V输出下的高性能表现
DER-815恒压、恒功率及恒流特性曲线
DER-815在不同输入电压下的平均效率高达92%
无论是应对无零线系统带来的安装难题，还是在低功耗设计中寻求性能与能耗的平衡，智能家居设备都需要不断突破技术瓶颈。Power Integrations通过其领先的电源IC技术，推出了多款创新产品，成功解决了单火线取电和超低功耗设计的难题。这些产品不仅符合全球各地的新建筑规范，还能够帮助客户缩短设计周期，提升设备的整体性能和用户体验。
未来，随着智能家居设备的普及和技术的不断进步，低功耗设计和无零线系统将继续成为行业发展的重要方向。Power Integrations等技术领先企业的持续创新，将为智能家居领域注入更多可能性，推动行业向更加智能化、节能化的方向迈进。
