智能電源管理

摘要：綠色節(jié)能，對(duì)電源的智能管理提出了更高的要求，不僅需要電源系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)換效率，還需要對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)行的能效分析和控制，使得電源系統(tǒng)隨著各種條件的變化，始終實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

關(guān)鍵詞：智能；電源管理；智能電網(wǎng)；功率半導(dǎo)體

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.2.001

一切智能化之時(shí)，能源管理是否也應(yīng)該走向智能化？

當(dāng)人們?cè)僬務(wù)摳鞣N節(jié)能減排，可再生能源、綠色電子技術(shù)之時(shí)，很容易忽略掉的是，如何通過(guò)更好的規(guī)劃電源使用的不同場(chǎng)景，進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整，以達(dá)到更高的電源利用效率，這其實(shí)也是一種卓有成效的環(huán)保策略。更重要的是，在確保用戶體驗(yàn)不受影響的前提下，再談節(jié)能環(huán)保才有實(shí)際商業(yè)的意義，而這種根據(jù)工作狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整的智能管理，前提就是不僅不影響用戶體驗(yàn)，反而能滿足用戶對(duì)更高體驗(yàn)的追求的解決方案，而從成本角度上看，雖然前期在硬件和軟件方面的支出，并需要更多的維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本，但通過(guò)節(jié)省了能源消耗和提升系統(tǒng)工作效率與主系統(tǒng)的工作時(shí)間角度考量，整體的使用成本其實(shí)是有所下降的。所以，智能化能源管理，是未來(lái)重要的節(jié)能趨勢(shì)。

大到智能電網(wǎng)，普遍到各種電源控制與模式調(diào)整，細(xì)微到元器件內(nèi)部的智能PMU，智能化電源管理正在人們的生活中變得越來(lái)越普遍。據(jù)Gartner分析，在各種半導(dǎo)體改變能源效率的應(yīng)用中，智能化能源管理是增加用戶體驗(yàn)最行之有效的方式，并且會(huì)在未來(lái)3-5年內(nèi)逐漸成為節(jié)能降耗最主要的技術(shù)趨勢(shì)。而在智能化電源管理過(guò)程中，半導(dǎo)體產(chǎn)品的應(yīng)用量將是以每年20%的數(shù)量遞增。

廣泛意義上的智能電源管理，是一個(gè)完整的軟件與硬件相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)，智能電源管理未來(lái)發(fā)展的重要主題就是高能效。首先要有能夠?qū)﹄娫聪到y(tǒng)進(jìn)行控制管理以及采集各種工作信息參數(shù)的硬件設(shè)備，然后通過(guò)智能電源系統(tǒng)里面的管理軟件，檢測(cè)各個(gè)設(shè)備單元的當(dāng)前參數(shù)，如電壓、電流、溫度、負(fù)載變化情況等，然后根據(jù)獲取的各單元運(yùn)行參數(shù)通過(guò)各種通信協(xié)議傳輸，匯總到處理單元進(jìn)行調(diào)度管理，以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)各單元的有選擇性、高能效、高可靠的運(yùn)行。

隨著3G技術(shù)的迅猛發(fā)展，金融、電信網(wǎng)絡(luò)的新一代基站和數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，也對(duì)電源動(dòng)力系統(tǒng)提出了更高的要求。與此同時(shí)，3G技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模普及，集中度越來(lái)越高，數(shù)據(jù)量傳輸量越來(lái)越大，這就要求電源廠商必須加大對(duì)創(chuàng)新技術(shù)的投入，提高產(chǎn)品的高效節(jié)能性能，并通過(guò)推出高附加值的產(chǎn)品或解決方案來(lái)為用戶節(jié)約投資成本，同時(shí)保障運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性，才能充分保障用戶體驗(yàn)。系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)電源用電量的增加給電源提出了更高的挑戰(zhàn)，可靠性、穩(wěn)定性都需要達(dá)到更高的要求。

綠色、模塊化、智能化一直是這幾年電源動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)。綠色要求電源系統(tǒng)以高效率、高功率因數(shù)運(yùn)行，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，不對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾；模塊化要求電源提升系統(tǒng)的可靠性；智能化要求電源實(shí)現(xiàn)了靈活的故障診斷與保護(hù)，確保可靠運(yùn)行。

在本文中，我們很難關(guān)注涉及整個(gè)智能電源管理的整個(gè)系統(tǒng)，我們僅從半導(dǎo)體產(chǎn)品的角度去探討智能電源管理系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)品的需求以及帶來(lái)的改變。

智能化趨勢(shì)的挑戰(zhàn)

智能化逐漸成為電源管理市場(chǎng)的新趨勢(shì)，面對(duì)智能化的能源和電源管理趨勢(shì)，電源半導(dǎo)體產(chǎn)品的面臨著全新的需求與技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

智能電源日漸盛行，NXP大中華區(qū)資深產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理張錫亮認(rèn)為，這為數(shù)字控制系統(tǒng)和數(shù)字通信帶來(lái)諸多機(jī)會(huì)，包括無(wú)線和有線方式。由于系統(tǒng)可以準(zhǔn)確知道所需電量并要求供應(yīng)相應(yīng)電量，因此智能電源可以節(jié)省更多用電。它還帶來(lái)了組合發(fā)展機(jī)遇，例如在電源線上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。對(duì)發(fā)電廠而言，更容易獲知電源負(fù)載 （或需求），從而更易于準(zhǔn)備充足的電量。而對(duì)于個(gè)人和家庭而言，有更多的電源可供智能分配，如太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電和發(fā)電廠供電。一些趨勢(shì)推動(dòng)著智能電源不斷發(fā)展：“越來(lái)越多的檢測(cè)和通信方式 （有線及無(wú)線） 耗用更低的電量，例如電源上的數(shù)據(jù)、Zigbee、WIFI等”。

TI中國(guó)區(qū)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理程文濤將電源半導(dǎo)體產(chǎn)品在智能化電源系統(tǒng)中應(yīng)用分為兩個(gè)方面，一是增加電源和控制系統(tǒng)之間的通訊的智能，這一點(diǎn)以目前服務(wù)器電源的發(fā)展為代表；二是電源自身優(yōu)化控制的智能，這一點(diǎn)以TI的UCD3K為代表。當(dāng)然TI的UCD3K系列產(chǎn)品也包含了與控制系統(tǒng)之間通訊的智能。目前，在網(wǎng)絡(luò)及通訊領(lǐng)域，對(duì)電源本身的監(jiān)控、調(diào)節(jié)、保護(hù)，以及增加電源的智能以保護(hù)昂貴的主芯片等方面的要求越來(lái)越普遍，市場(chǎng)需求越來(lái)越大。在不增加總體成本的前提下如果要達(dá)到這些要求，數(shù)字控制的電源，或模擬控制帶數(shù)字接口的電源成為必需。這已經(jīng)成為高端電源產(chǎn)品發(fā)展的一個(gè)共同方向。

智能電源管理技術(shù)供應(yīng)商已不僅僅局限在電源技術(shù)本身，同時(shí)更多地關(guān)注系統(tǒng)信號(hào)鏈的把握和系統(tǒng)的應(yīng)用。在器件設(shè)計(jì)角度來(lái)看，通過(guò)器件帶有的特性提升整體工作效率。比如，電源器件通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)達(dá)到效率優(yōu)化的目的。從工藝角度來(lái)看，功率器件工藝的改進(jìn)是提高效率的關(guān)鍵。ADI公司電源管理部門(mén)市場(chǎng)工程師張潔萍的視角比較關(guān)注通信接口方面，她認(rèn)為，智能化電源管理需要對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行即時(shí)監(jiān)控，包括電流、電壓等數(shù)值的讀取、分析，進(jìn)而可以對(duì)用電設(shè)備的關(guān)斷電、重啟進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)用電的科學(xué)管理，實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能。因此，在智能化電源領(lǐng)域，PMbus接口已逐步成為電源領(lǐng)域通用的接口方式之一，同時(shí)電源產(chǎn)品與主控機(jī)之間的通信及監(jiān)控等功能的集成化也日益增多。高效、節(jié)能、環(huán)保仍是不變的方向發(fā)展，產(chǎn)品小型化，高功率密度也是設(shè)計(jì)新一代產(chǎn)品的關(guān)注點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)方面，創(chuàng)新的技術(shù)同樣應(yīng)運(yùn)而生。提升能效是電源半導(dǎo)體產(chǎn)品持之以恒的要求和趨勢(shì)。一方面，可以采用創(chuàng)新的電源架構(gòu)來(lái)優(yōu)化電源在完整負(fù)載范圍內(nèi)的能效。另一方面，可以細(xì)致分析電源各個(gè)可能的功率損耗來(lái)源，采取針對(duì)性的措施來(lái)減小功率損耗，進(jìn)而提升能效，并配合減小尺寸及提升功率密度。而隨著半導(dǎo)體制造工藝及封裝技術(shù)的進(jìn)步，智能功率IC及智能功率模塊也將是電源半導(dǎo)體產(chǎn)品的重要發(fā)展趨勢(shì)。

例如，安森美半導(dǎo)體電源市場(chǎng)全球銷售及營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān)鄭兆雄介紹了結(jié)合型雙極/CMOS/DMOS（BCD）技術(shù)的出現(xiàn)，使模擬、數(shù)字及電源方面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠整合在單片襯底上，這就導(dǎo)致智能功率IC誕生。后續(xù)的BCD工藝改善了高壓隔離、數(shù)字特征尺寸（提供更高模擬精度、邏輯速度、密度等）及功率處理能力。現(xiàn)代工藝能夠整合數(shù)字處理器、RAM/ ROM內(nèi)存、內(nèi)嵌式內(nèi)存及電源驅(qū)動(dòng)器。早期的功率模塊在單個(gè)封裝中整合多個(gè)閘流體/整流器，從而提供更高的額定功率。過(guò)去三十年來(lái)已經(jīng)獲得重大突破。當(dāng)今的模塊將功率半導(dǎo)體與感測(cè)、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)及控制功能結(jié)合在一起。它們可分為智能功率模塊（IPM）或功率整合模塊（PIM）。IPM通常是功率1 kW至30 kW的器件，由功率晶體管/整流器、預(yù)驅(qū)動(dòng)器，可能還有控制器組成；PIM并列幾個(gè)IGBT/整流器，覆蓋10 kW到1 MW的額定功率，如圖1。

數(shù)字電源的契機(jī)

數(shù)字電源和模擬電源，一直是現(xiàn)在市場(chǎng)上既競(jìng)爭(zhēng)又合作的兩種技術(shù)，雖然傳統(tǒng)的模擬電源在效率和成本甚至某些性能方面有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是在智能化能源管理系統(tǒng)中，數(shù)字電源的可控可編程性顯得更適合智能化的電源管理系統(tǒng)。

數(shù)字電源是目前電源管理發(fā)展的主流方向，主要面向服務(wù)器、電信系統(tǒng)、有線/無(wú)線數(shù)據(jù)通訊等工業(yè)與醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用。數(shù)字電源具有一定的靈活性，可以針對(duì)不同應(yīng)用方便的調(diào)節(jié)所需參數(shù)，如輸出電壓、過(guò)流點(diǎn)、頻率等，對(duì)所需的信號(hào)實(shí)現(xiàn)采集及監(jiān)控等功能。數(shù)字電源將向高集成化、易于調(diào)節(jié)等方面而努力。對(duì)于模擬電源技術(shù)，存在一些固有的缺點(diǎn)，比如靈活性、監(jiān)控性能欠佳，電壓精度不及數(shù)字電源好等特點(diǎn)，在智能化需求較高的應(yīng)用場(chǎng)合已逐步被數(shù)字電源所取代。張錫亮認(rèn)為，數(shù)字電源和模擬電源將同時(shí)并存，但對(duì)于大功率應(yīng)用（如服務(wù)器電源） 來(lái)說(shuō)，由于瓦特?cái)?shù)更高，目前已開(kāi)始采用數(shù)字電源，其帶來(lái)更多的益處，有利于數(shù)字電源的普及。美高森美公司功率產(chǎn)品部門(mén)戰(zhàn)略業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Keith Westrum表明態(tài)度，由于數(shù)字系統(tǒng)可計(jì)算的功率持續(xù)增加且成本減少，數(shù)字電源管理將會(huì)占據(jù)主流。

Maxim戰(zhàn)略市場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理Jon Day認(rèn)為，先進(jìn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)具有自動(dòng)補(bǔ)償和改善瞬態(tài)性能的優(yōu)勢(shì)，這從幾個(gè)方面簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)：更高精度的穩(wěn)壓輸出、減少元件數(shù)量（提高集成密度和可靠性）、降低寄生干擾（包括提高元件容限）。模擬方案在元件成本方面仍然占有一定優(yōu)勢(shì)，盡管數(shù)字與模擬之間的成本差距日漸縮小。過(guò)去，模擬方案（尤指電源控制器）具有更高的可靠性（由于具有更為成熟的設(shè)計(jì)工藝），現(xiàn)在這一差距已經(jīng)微乎其微。軟件或特定固件（以及相關(guān)的設(shè)計(jì)GUI）對(duì)于數(shù)字控制架構(gòu)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用十分重要。數(shù)字架構(gòu)的自動(dòng)補(bǔ)償和預(yù)測(cè)性負(fù)載補(bǔ)償需要采用更加復(fù)雜的算法。此類架構(gòu)的開(kāi)發(fā)及實(shí)施將是區(qū)分眾多電源管理廠商技術(shù)優(yōu)勢(shì)的主要依據(jù)。

智能化的數(shù)字電源，在網(wǎng)絡(luò)、通信，及中大功率的逆變、調(diào)速等復(fù)雜系統(tǒng)中，在物料清單、設(shè)計(jì)靈活性、多模式控制及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制理論等方面有著模擬電源無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，這類應(yīng)用將是數(shù)字電源目前需求最旺盛的。而傳統(tǒng)的模擬電源，以其已于設(shè)計(jì)及相對(duì)較低的成本，在消費(fèi)類以的應(yīng)用 - 例如充電器，適配器，機(jī)頂盒，電視等， 以及中小功率的基礎(chǔ)設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域?qū)?huì)被繼續(xù)采用，并隨著市場(chǎng)的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。智能化的電源管理不僅要求電源本身性能方面的提升，也要求在易用性方面接近模擬電源。因此，程文濤表示，電源半導(dǎo)體廠商設(shè)計(jì)的電源必須提供易于使用，功能齊全的圖形用戶界面（GUI）來(lái)幫助客戶盡快的熟悉電源方案，并將電源半導(dǎo)體的潛力發(fā)揮出來(lái)。TI為此發(fā)展出了Fusion Digital Power Designer，使用戶由接觸到上手的過(guò)程變得非常簡(jiǎn)潔高效，同時(shí)對(duì)客戶使用中的調(diào)試，診斷也提供了極大的便利。這套工具與UCD系列的產(chǎn)品構(gòu)成了一套完善而先進(jìn)的功率轉(zhuǎn)換解決方案。

智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)，是智能電源管理的宏觀展現(xiàn)，智能電網(wǎng)無(wú)論從控制到電表，都需要半導(dǎo)體技術(shù)的支持。

Maxim戰(zhàn)略市場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理David Andeen更關(guān)注智能電網(wǎng)中的需求，他指出特別是智能電表設(shè)計(jì)中，電源器件所面臨的挑戰(zhàn)是從電力充沛的電源中取電的同時(shí)，還要確保高效地利用電能。這就好像住在一條潔凈、水源充裕的大河旁，還要時(shí)時(shí)考慮節(jié)水問(wèn)題。從現(xiàn)階段看，我們需要并即將看到越來(lái)越多的創(chuàng)新技術(shù)引入電池供電表計(jì)（如：水表和氣表），通過(guò)高效的能量收集方案替代電池或者僅將電池作為輔助能源，從而極大地延長(zhǎng)電池使用壽命。最終，利用超低功耗微控制器實(shí)現(xiàn)電能測(cè)量和智能表計(jì)，將這種簡(jiǎn)單的傳感器嵌入電力線上，僅從電力線上收集非常低的電流即可支持供電。

智能電網(wǎng)的“智能化能源管理”必將對(duì)大眾化用電人群產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。從提高效率入手對(duì)能源進(jìn)行管控，積極應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，例如：降低高峰用電量、提高配電效率（優(yōu)化電壓/VAR、降低電壓跌落），以及采用LED照明等重大革新技術(shù)達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，電源技術(shù)的發(fā)展也將持續(xù)帶動(dòng)電池供電移動(dòng)設(shè)備的節(jié)能變革。那么，兩者的結(jié)合點(diǎn)在哪里？當(dāng)兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的成本、功耗達(dá)到相同水平時(shí)，即為兩者的結(jié)合點(diǎn)。這是由市場(chǎng)而非技術(shù)驅(qū)動(dòng)的。

對(duì)于智能電網(wǎng)應(yīng)用，高效率AC-DC和高效率DC-AC都是實(shí)現(xiàn)理想目標(biāo)的關(guān)鍵。無(wú)論用戶安裝太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，還是類似于LED燈這樣的簡(jiǎn)單設(shè)備，都會(huì)用到上述兩種轉(zhuǎn)換器。在大規(guī)模配電系統(tǒng)中，我們可能會(huì)在交流系統(tǒng)中看到微型直流配電站，這在高壓大規(guī)模電力傳輸系統(tǒng)以及低壓LED家用或建筑照明系統(tǒng)中比較常見(jiàn)。兩種情況下，能源的高效轉(zhuǎn)換、電壓精度和有源監(jiān)控都是保證系統(tǒng)可靠性和安全性的關(guān)鍵。

鄭兆雄從智能電表的角度來(lái)看，如果是三相電表的話，就要求智能電表電源支持更寬的交流電壓范圍，如從46 V左右到480 V左右，從而提高安全性。此外的一個(gè)新要求就是降低智能電表的待機(jī)能耗，如將智能電表在未抄表的普通狀態(tài)下的能耗降到低于2 W。安森美半導(dǎo)體基于NCP1251B電流模式PWM控制器及2SK4177 1，500 V、2 A、13 Ω單N溝道功率MOSFET的低功率智能電表設(shè)計(jì)就符合這些應(yīng)用要求，不僅支持70至520 Vac的超寬電壓范圍，還支持隔離，且待機(jī)能耗極低。

TI程文濤則看到，目前智能電網(wǎng)的發(fā)展對(duì)電源的要求還主要是集中在高效低功耗，及高可靠性方面，對(duì)電源本身的智能化要求尚未成為迫切的需求。目前的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)主要是電源要求寬的工作電壓以適應(yīng)不同地區(qū)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，同時(shí)要求電源本身的功耗極低。