淺談電力電子技術在電源節能穩定中的應用

孟垚

（長沙鴻漢電子有限公司，湖南 長沙 410000）

現如今人們的生活水平和生活需求越來越高，使他們在電力電能方面有著更好的追求，進一步導致用電量的顯著增加。由此，人們對于電源的能耗要求，也與日俱升。既然傳統的電源電子技術，已然無法滿足需求，那么就有必要進行革新，從而使其符合綠色節能、環保高效的理念。

一、當今電子技術發展現狀

（一）高頻率電子鎮流技術的應用

傳統的電子鎮流器壽命雖然很長、可靠性也比較強，但是它的體積較大，自身的功率損耗也相對較大，甚至還具有噪聲，由此可見，這是一種極不節能的鎮流器。因此，企業需要積極推進節能型、高頻率的電子鎮流器，其所采用的素材是以低耗能為主的，并具有節能、功率損耗較低、燈光的效能良好、體積較小、沒有任何雜音的優點。高頻率交流的電子鎮流器在實際的操作過程中，得到人們以及各個領域的廣泛使用。與此同時，將電力電子技術與高頻率電子鎮流技術相融合的時候，需要根據其優缺點來進行操作和利用，避免電路在供電的時候，因為整流而對逆變電路產生諧波的污染。其在高頻工作的過程中，會出現一些電磁的干擾，并對其他設備的正常工作造成一些阻礙，另外，在進行高頻工作時，電路中也可能出現三項平衡電網定位、移動等眾多的現狀，這對于電網當中的三項平衡狀態也都造成了十分不利的影響。對此，在一些不用電子鎮流器的滿功率運行下，可以經過調整光源來進行控制，這樣可以使節能的優勢作用充分地顯示出來。調光控制的這種方法主要特點是指，通過脈沖的功效使其得到充分發揮。另外，它可以保證兩個開關控制的電路一起傳導，并且不會損壞調光開關，這樣可以進一步調節電力電子器件的控制角，最終調整輸出波形，并對輸出電壓進行微調，從而在低速或弱光下，降低電壓時，可以輸出穩定電壓，最后實現節能電源的目的。

（二）模塊化

電子硬件設計領域發生了一場悄然的革命。隨著硅集成的持續發展（受摩爾定律的影響），工程師逐漸從主要在組件和電路級別的開發，轉移到電路板、模塊和子系統進行更多的合作。不論是在功率器件方面，還是在電源單元方面進行模塊化，都大大提高了電子設計效率。

（三）數字化

在計算機科學和技術迅猛發展的今天，鼠標靠近紅色文字，可查看分句相似情況數字信號處理的優質更加凸顯，在當今所謂的數字化浪潮已經席卷了幾乎所有的電子技術應用領域。數字信號常用數碼形式給出，不同的數碼用來表示數量不同的大小，通常我們會用進位計數法組成多為數碼，方便使用。

（四）綠色化

1.光線照明技術

光纖照明是一種全新的節能照明形式，因其能夠更好地滿足人們對光環境的多種需求，最早應用在工業、建筑物、公共區域以及自然景觀等眾多生活領域。光纖照明的體系主要由發光的器件、發光導體等重要部件組成。光纖照明的基本原理是，當光源經過反射鏡時，會產生些許平行的光纖，而使用濾光器可以將其變為彩色光。隨后，當彩色光移到光前相應的位置時，就可以緊隨光纖移動途徑，并將其傳輸至預定地點。在這種情形之下，需要將每一個發光點都控制在最低范圍內，并且使其更加接近于光源。光纖照明是應用了鏡子以及反光鏡等光學元件進行光的傳遞，從而能夠更好地實現光的柔性傳遞。與此同時，光纖在照明下所發出的光當中不包括任何的紅外線與紫外線，并且它們對于任何東西都沒有傷害。所以，在光纖照明中采用電子技術是最安全的一種照明方式。

2.太陽能光伏發電技術

太陽的能量是無限量的，在正常情況下不能進行儲存，但可以連續使用。太陽能光伏發電系統是一種全能的太陽能儲存體系。眾所周知，太陽能電池是一個很小的單位，其工作電壓只有0.45V到0.5V，它們是可以獨立使用的，不可當成電源使用。當太陽能電池連接在一起，它的功率超過了幾十瓦，乃至上百瓦，同時組成了一個太陽能的電池組。在這種現狀下，太陽能是可以當作最小電源進一步利用的，假設合成的太陽能電池組再次串聯、并聯，則可以組裝成太陽能的電池陣列，達到負載所需的輸出功率。把太陽能的電池陣列、控制器、儲存電流和直流結合到一起，由此可以構建出太陽能的光伏發電體系。這一體系曾在北京奧運會上受到了廣泛的利用，從而發揮了其綠色環保的作用。

二、使用電子能源技術提升電源節能穩定的價值

（一）能源安全

過分依賴能源進口，就有可能未來受制于人，歷史上的幾次石油危機就是前車之鑒。因此，有必要對電源進行節能穩定方面的研究，以降低能源出口率，從而提高國家的能源安全性。

（二）實現資源可持續性

對能源無節制的使用，必然導致資源得過快枯竭。考慮到當今時代的城市化進程，未來若不對此進行革新，勢必將會對能源的消耗，造成不可逆轉的局面。在此種情況下，有必要使用電子能源技術，提升電源的節能穩定性。

（三）提升環境承載力

能源使用，尤其是化石能源的燃燒，直接導致空氣、水、土壤的污染。一旦超出環境能容納的限度，就會造成不可逆的創傷。所謂水能載舟亦能覆舟，挑戰環境承載力，就是挑戰人類生存的基礎。

（四）應對氣候變化

隨著電源散發的熱量，對全球氣候變暖進行了一定程度的貢獻。若是不對此進行變革，氣候變化還導致極端氣候的出現、物種的加快消亡等惡劣影響。

三、電子電力技術在電源節能穩定方面的策略

（一）時鐘的低功耗設計

該方法的設計思想就是當系統（比如手機終端）某一部分不工作時，我們可以控制其時鐘的翻轉，這樣就能節省一部分功耗。舉個例子，當我們打游戲時，那么通話模塊是不工作的，我們可以停掉其時鐘的翻轉，從而節省功耗，增加手機的續航。通常情況下我們是通過插入 clock gater來控制時鐘的翻轉，插入clock gater是由綜合工具自動完成的。舉個例子，有如下的RTL always；@(posedge clk)；if (en)；Q<=D；

在做clock gating的時候要通常注意以下2 點：首先，通常現在位寬比較大的寄存器加gater 因為加gater 本身也會增加面積和功耗，所以要綜合考慮。比如只有一位寄存器，加了gater 省下的功耗還不如gater本身的耗電高，所以不值得。其次，當我們加了gater 以后要保證原本的電路功能不變。

（二）電壓域的低功耗設計

電壓與功耗有著密切的聯系。因此功耗的降低可以考慮使用低一點的電壓。多電壓設計技術有三種方式：A：各電壓區域有固定的電壓；B：各電壓區域具有固定的多個電壓，由軟件決定選擇哪一個電壓；C：自適應的方式，各電壓域具有可變的，由軟件決定選擇哪一個電壓；其中，A 是固定分配的電壓，而B 和C 為動態電壓管理，涉及到軟硬件協同設計。這里就要提到DVFS技術，即動態電壓頻率技術，是一種通過將不同電路模塊的工作電壓及工作頻率降低到恰好滿足系統最低要求，來實時降低系統中不同電路模塊功耗的方法。電路模塊中的最大時鐘頻率和電壓緊密相關，如果一個電路能夠估算出它必須做多少工作才能完成當前的任務，那么理論上講就可以將時鐘頻率調低到剛好能適時完成該任務的水平。降低時鐘頻率意味著可以同時降低供電電壓。頻率和電壓同時降低，功耗就大大降低了。這個是DVFS的原理。DVFS技術這個種方法屬于電壓的動態管理，可以通過軟件和硬件的方式實現。

（三）使用不同的多閾值庫文件

如果想要MOS 管導通，低閾值的cell 需要的導通電壓更低，所以相比高閾值的cell，它導通得更快，與此同時，它的漏電也越多。所以在做綜合或者PD的時候，就要想好策略來平衡速度與功耗。

（四）RTL 低功耗設計

在我們做RTL 設計的時候，我們依然有辦法來節省功耗。像是，有一個典型的pipe line的design，當它處于工作模式下，每一個寄存器在clk的驅動下都在跳動。此時我們可以對design 做一些改進，比如用write_pointer 和read_pointer，普通的pipe 就是數據一位一位地傳輸下去，此時改進以后，就是pointer 動而pipe 數據不動，從而減少寄存器翻轉次數。此時該電路的行為更像ram，我們甚至可以用latch array，因為latch array 面積更小。改進后的仿真波形，Q 端的跳動將會大大減少。

（五）采用狀態編碼，減少翻轉活動

對于一些變化非常頻繁的信號，我們利用數據編碼來降低開關活動，例如使用格雷碼比用二進制碼翻轉更少，功耗更低。

（六）采用低功耗算法

在算法級降低功耗是非常有價值的。在設計算法時，要分析該算法需要多少ALU 操作，需要多少次存儲器訪問，要盡量使那些耗能多地操作最小化。算法級低功耗設計跟具體設計有關。在一些行為綜合工具中，可采用延時功耗乘積表示系統的優化目標，以降低完成特定計算所需的狀態轉換數，生成高效的計算結構。

結語

綜上所述，當電子電力技術能夠在電源節能穩定方面，成功地起到一定作用后。不僅在驅動當今世界的能源發展方面，有著正向價值，而且在提升全球質量方面，也有著積極影響。當然，受限于目前的技術科技水平，當電源的功效降低后，該物品的其他方面也將受到影響，比如面積，性能等。因此，對功耗的優化也要有針對性，要根據不同的物品，進行特定的考量。在技術水平沒有突破性進展的當下，只有兼顧項目時間表、工程師資源以及風險的降低功耗，才能夠真正地降低電源功效，實現綜合提升。