Design space evaluation for standby power supplies in smart appliances

Abstract

Diese Arbeit präsentiert und untersucht verschiedene Konzepte für die Versorgung von kabellosen Sensor- und Kontrollknoten, direkt von der Netzspannung. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf Energie- und Kosteneffizienz, als auch auf guten Integrationsmöglichkeiten. Die beiden Konzepte, die in die engere Auswahl kommen und deshalb genauer untersucht werden, sind das kapazitive Netzteil und nicht isolierte Schaltreglertopologien. Die wesentlichen Neuerungen in dieser Arbeit sind : - Das kapazitive Netzteilkonzept wird genauestens beleuchtet und vor allem auf die Verwendbarkeit im gegenständlichen Anwendungsbereich untersucht. Ein speziell entwickeltes zweistufiges Konverterkonzept, als auch eine leicht integrierbare Version werden vorgestellt. Das Ergebnis dieser Untersuchungen dient als Grundlage für den automatisierten Entwurf kapazitiver Netzteile für Smart Appliances und legt damit den Grundstein für zukünftige Arbeiten in diese Richtung. - Es wird ein neuer Ansatz eines nicht isolierten Schaltreglers untersucht, bei dem die Form der Netzeingangsspannung verwendet wird um die Spannung zu einem nachfolgenden Regler zu begrenzen. Dieses Konzept verspricht eine Kostenreduktion durch kleinere Bauweise, bei guter Effizienz. Das Ergebnis ist ein funktionsfähiger Hardwaredemonstrator, der das neue Konzept implementiert. Zusätzlich wurde für dieses Konzept eine spezielle Schaltreglertopologie entworfen, in der zwei Konverterstufen mit nur einer Spule auskommen, um die Integration zu erleichtern.

This work presents and evaluates different concepts of ultra low power supplies for wireless sensor and control nodes. The main focus lies on power and cost efficiency as well as good integration capabilities. The two concepts that are investigated in greater detail are the capacitive power supply and the non-isolated SMPS converter. The essential contributions of this work are : - The capacitive supply is analyzed in great detail especially for the utilization in wireless sensor and control nodes. A specialized two stage concept is presented as well as a possible integrated topology. The result of this design space exploration is the basis for the automated design of capacitive ultra low power supplies for smart appliances and lays the foundation of future work in this direction. - A new SMPS based approach is investigated that utilizes the slope of the input voltage sine wave to limit the converter input voltage. This concept promises to reduce costs through smaller components and easy integration while maintaining good efficiency. A functional hardware demonstrator was built to verify the functionality of this concept. Additionally a special power feedback SMPS topology is presented that uses only a single inductor for two supply stages to decrease integration costs.