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基于CC2530的微功耗电源开关系统

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陈林林+袁磊+张森+杨鑫波

摘要：该文从降低家用电器的电源开关功耗着手，采用无线遥控技术，实现了基于 CC2530芯片的微功耗遥控电源开关系统降低待机功耗的解决方案，本文详细地介绍了该系统的结构和工作原理，给出了相应的测试结果。测试结果表明，微功耗遥控电源开关系统的接收端功耗为毫瓦级，极大地降低了家用电器的待机功耗。

关键词：待机功耗；微功耗；射频收发器；遥控；电池

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）16-0219-03

1概述

日常生活中，采用红外遥控器来控制空调、电视、DVD等家用电器设备的开关。采用遥控方式来控制电源的开关，方便了用户，避免了频繁开关电源按钮、插拔电源插座。当用遥控器关闭家用电器后，家用电器处于待机模式，此时主体电路与电源断开，但是，内部仍有与电源连接的电路称为待机电路，待机电路仍正常工作。所以，处在待机模式的家用电器仍会消耗电能。目前，家用电器的平均待机功耗在几瓦左右，甚至更高，大大浪费了电能。如何能降低家用电器电子产品的待机功耗，已经成为了各个国家研究的热点。

随着无线射频遥控技术进入家用电器这一领域，克服了红外遥控技术距离短、接受范围小、视野障碍、抗干扰性差等固有的物理缺陷。本文采用TI公司的高性能射频收发器CC2530芯片，设计了一种功耗为毫瓦级的微功耗遥控电源开关系统。

2微功耗遥控电源开关系统方案

目前，降低家用电器的待机功耗主要有两种方案。图1（a）所示为第一种方案，通过优化待机电路的性能，提高电源管理电路的供电效率，目的是提高AC/DC转换器在轻载时的转换效率。该方式的优点，不需要改变家用电器设备结构。但，随着待机功耗的要求越来越低，低功耗AC/DC转换器所能达到的转换效率具有一定的局限性，达不到家用电器待机低功耗的要求。采用辅助电源（电池）来取代图1（a）中电源管理电路中的AC/DC转换器给待机电路供电，并增加一些辅助电路来降低待机功耗，是第二种方案，如图1（b）所示，该方式不会影响主体电路结构，可以大大降低家用电器的待机功耗，可以达到毫瓦级。

本文主要主要是采用第二种方式来降低家用电器的待机功耗，主要结构包含基于CC2530芯片的发射端和接收端两部分。

2.1 CC2530射频收发器

射频收发器CC2530是TI公司推出的一款用于ZigBee RF4CE应用的2.4GHz片上系统（System on Chip，简称SOC）芯片，该系统芯片具有高性能的射频收发模块、多种低功耗供电模式和应用于RF4CE的CC2530 Remot TI开发套件，便于开发符合射频遥控标准和协议RF4CE的低功耗远程控制系统。CC2530具有的多种低功耗供电模式，如表1所示。CC2530的各种供电模式之间可以进行切换，且切换时间短，适用于超低功耗要求的系统。

2.2系统的结构及其工作原理

根据之前提出地通过采用辅助电池给待机电路供电，降低家用电器待机功耗的方法，并结合红外转射频技术；进而，实现一种基于CC2530射频收发器的微功耗遥控电源开关系统。该系统主要由遥控器内部的发射端和位于家用电器主体结构中的接收端两部分组成，CC2530构成了发射端和接收端的关键模块，利用CC2530-MDK开发板，将位于发射端内部的CC2530设置成发射模式，而接收端内部的CC2530设置成接收模式。

当按下遥控器上的开（关）机按键，CC2530检测到来自红外发光二极管的开关机信号，触发CC2530从低功耗供电模式转到工作模式，发射一组经过2.4GHz O-QBSK调制的基带信号，同时接收端检测到该调制信号，并与内部的基带码进行比较，输出一个脉冲信号驱动继电器动作，使得家用电器的交流电源闭合（断开），然后，发射端CC2530转到低功耗供电模式。

2.3 发射端结构及工作原理

微功耗遥控电源开关系统遥控器发射端的内部结构如图2所示， CC2530指定的输入端连接到红外编码调制电路的输出端，遥控器内部的两节1.5伏干电池供给其消耗的能量，且CC2530与遥控器内部的其它电路模块共地。大多数时间，没有按键信号，发射端CC2530供电模式3（外部中断）处于低功耗供电模式。当按下开（关）机键，按键信号经过红外编码调制电路红外发光二极管发射出去，此时CC2530输入端检测到脉冲信号，CC2530采取中断响应处理方式，从低功耗供电模式转到工作模式，这一过程需要20ms，然后 CC2530开始进入发射模式，将开（关）机调制信号经天线发射出去，持续时间为2.5s，且每次开（关）机信号持续2ms，共发射了1000多次。接着，CC2530从发射模式转换成低功耗供电模式。

2.4 接收端结构及工作原理

用微功耗遥控电源开关系统的接收端完全取代家用电器遥控接收装置中的待机电路，大大降低了待机功耗，其结构如图3所示。接收端主要由CC2530、信号继电器、AC/DC变换器、功率继电器以及两节1.5伏干电池组成。接收端工作在间歇模式，接收芯片CC2530每2s中4ms是处于工作模式，其余时间CC2530工作在低功耗供电模式。当CC2530在工作模式下，检测到射频开（关）机信号，经过射频前端和8051微处理器处理，输出持续20ms的开（关）机脉冲信号驱动双绕组闭锁型信号继电器的置位端（复位端）动作，从而接通（断开）AC/DC转换器的交流输入端，使得AC/DC转换器输出电压为5伏（零），进而闭合（断开）单稳型大功率继电器的触点，最终接通（断开）家用电器主体电路的220V交流电源。

3测试结果及其分析

根据2.2节描述的发射端结构和接收端结构，并结合CC2530-MDK自带的遥控器例程，来搭建微功耗遥控电源开关系统，遥控器端和接收端如图4所示，实测环境如图5所示，用一个台灯来模拟图5中的用电设备，实测的遥控距离能达到8米以上，且不受墙等障碍物的阻隔。

该系统已经成功应用于空调等大功率家用电器设备上，采用遥控器来控制空调的启动和关闭，来降低待机功耗。当用遥控器关闭空调后，空调是处于待机状态，会消耗一定的电能，而采用该系统的家用电器接收来自遥控器的关闭信号之后，其主体电路是完全与交流电源断开的。所以，从理论上说，家用电器是不会消耗交流电源的能量，即交流电源的待机功耗为0。另外，采用功率计测试的实际交流电源的消耗为0，从而验证了该系统的正确性。

用遥控器关闭家用电器后，其交流电源消耗的能量为0。然而，由于接收芯片和信号继电器是由两节1.5V干电池的直流电源来供电，所以仍然会有部分能量消耗，表2是用万用表所测得的接收端能量消耗，假设每天开关空调次数为10次，也就是信号继电器工作10次。由于每次开机或关机信号的持续时间都为20ms，且信号继电器是闭锁型（掉电不失锁），所以信号继电器每次工作的时间也是20ms。

从表2中可以计算出，每秒接收端消耗的电流为94.1μA，假设每节干电池的容量为1800mAh，则该系统的使用寿命约为2.18年。接收端0.28mW的功耗要远低于现在家用电器的待机功耗（空调约为2W），因此该遥控电源开关系统是微功耗的。而如果能进一步降低接收芯片的待机电流和工作电流，增加电池的容量，该系统的正常工作时间会增加更长，能满足用户需求。

4结论

本文针对降低家用电器待机功耗的问题，利用CC2530射频收发器设计了一种采用辅助电源模式来降低待机功耗的微功耗遥控电源开关系统，并给出了相应的测试结果。测试结果表明，微功耗遥控电源开关系统的接收端功耗小于300μW，极大地降低了家用电器的待机功耗；将该系统应用在家用电器中，遥控端和主体电路的结构只需要微小改变，实现起来比较简单。

参考文献：

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