智能電源管理

　　例如，安森美半導(dǎo)體電源市場(chǎng)全球銷(xiāo)售及營(yíng)銷(xiāo)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?，F(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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(hù)界面(GUI)來(lái)幫助客戶(hù)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(hù)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(hù)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?！　?/p>

         

　　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(hù)安裝太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，還是類(lèi)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。