高效率能源管理

背景信息

工業(yè)自動(dòng)化仍然是提高效率和節(jié)省成本的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。要想更好地理解為什么是這樣，就需要探討和回顧幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。首先來(lái)看可持續(xù)性。

就能量和資源利用效率而言，可持續(xù)性是全球制造業(yè)成功的關(guān)鍵因素。人們?nèi)找骊P(guān)注在工廠和各制造業(yè)采用高能效解決方案的問(wèn)題，這也將促進(jìn)可持續(xù)制造的實(shí)現(xiàn)。例如，通過(guò) IE3 類能效標(biāo)準(zhǔn)，能效問(wèn)題將左右電動(dòng)型汽車市場(chǎng)的業(yè)務(wù)發(fā)展。[這一分類來(lái)自歐洲最新超高效率行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或美國(guó)能源獨(dú)立與安全法案 (EISA) 的 Nema Premium，Nema Premium 從 2015 年 1 月或 2017 年開始適用，這取決于功率等級(jí)]。類似地，廢水處理和處理泵將主導(dǎo)全球傳統(tǒng)水泵市場(chǎng)的業(yè)務(wù)發(fā)展。

云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)安全以及移動(dòng)和無(wú)線通信技術(shù)等大趨勢(shì)對(duì)未來(lái)的工廠發(fā)展將起到促進(jìn)作用。相應(yīng)地，對(duì)更高生產(chǎn)效率和更高效率的需求將促使企業(yè)在工廠車間和 跨所有最終用戶的企業(yè)之間進(jìn)行更多的互動(dòng)。資產(chǎn)管理和靈活的制造也帶動(dòng)了具活力的工廠集成，在工業(yè)應(yīng)用中，自動(dòng)化和定制化服務(wù)解決方案將有非常大的發(fā)展?jié)?力。

接下來(lái)看一下功耗，因?yàn)榉乐估速M(fèi)是最大限度減少自然資源消耗的關(guān)鍵。任何系統(tǒng)中的功耗都可以從兩個(gè)方面來(lái)控制。首先，通過(guò)在整個(gè)負(fù)載電流范圍內(nèi)最大限度地提高轉(zhuǎn)換效率，其次，通過(guò)降低 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在所有工作模式時(shí)吸取的靜態(tài)電流。因此，為了在降低系統(tǒng)功耗方面發(fā)揮積極作用，電源轉(zhuǎn)換和管理 IC 必須提高效率。也就是說(shuō)，無(wú)論是在輕負(fù)載還是在休眠模式，都要降低功耗，并具備非常低的功耗水平。

例如，考慮一下很多工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中常見的嵌入式系統(tǒng)。這些嵌入式系統(tǒng)通常通過(guò) 48V 背板供電。這個(gè)電壓通常被降至更低的中間總線電壓，典型值為 12V 至 3.3V，以給系統(tǒng)中一架一架的電路板供電。然而，這些電路板上的大多數(shù)子電路或 IC 需要在不到 1V 至 3.3V 的電壓范圍和數(shù)十毫安到數(shù)百安培的電流范圍內(nèi)工作。結(jié)果，負(fù)載點(diǎn) (POL) DC/DC 轉(zhuǎn)換器電壓必須從中間總線電壓降至子電路或 IC 所需的電壓。這些電壓軌對(duì)排序、電壓準(zhǔn)確度、裕度調(diào)節(jié)和監(jiān)察有嚴(yán)格的要求。

既然在數(shù)據(jù)通信、電信或存儲(chǔ)系統(tǒng)中可能至少有 50 個(gè) POL 電壓軌，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)管理這些軌的輸出電壓、排序以及允許的最大電流。某些處理器要求其輸入和輸出 (I/O) 電壓在其內(nèi)核電壓之前上升，而某些數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 則要求內(nèi)核電壓先于其 I/O 上升。此外，斷電排序也是必需的。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要一種簡(jiǎn)便的更改方法，以優(yōu)化系統(tǒng)性能，針對(duì)每一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器儲(chǔ)存特定配置，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作。

另外，為了針對(duì)可能出現(xiàn)的過(guò)壓情況保護(hù)昂貴的專用集成電路 (ASIC)，高速比較器必須監(jiān)視每一個(gè)軌的電壓值，一旦某個(gè)軌超出其規(guī)定的安全工作限制，就立即采取保護(hù)性行動(dòng)。在數(shù)字電源系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò) PMBus 報(bào)警線路通知主機(jī)，從屬軌可以關(guān)斷，以保護(hù)受電器件，例如 ASIC。實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的保護(hù)需要合理的準(zhǔn)確度和數(shù)十微妙量級(jí)的響應(yīng)時(shí)間。

在偉大的創(chuàng)新領(lǐng)域，將創(chuàng)新技術(shù)傳遞到最終用戶并不總是很容易。人們普遍認(rèn)為，在新能源和清潔能源(又稱為替代能源) 市場(chǎng)，電源管理有很多機(jī)會(huì)。盡管我們周圍有大量環(huán)境能源，但傳統(tǒng)能量收集方法一直是用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)。不過(guò)，最新能量收集工具使我們能夠用多種 環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而是“平均收集到的”并可用來(lái)給電路供電的能量。例如，熱電發(fā)生器將熱量轉(zhuǎn)換成電力，壓電組件轉(zhuǎn) 換機(jī)械振動(dòng)能量，光伏組件轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光或任何光源。這就使得有可能給遠(yuǎn)程傳感器供電，或者給存儲(chǔ)器件充電 (例如電容器或薄膜電池)，以便無(wú)需本地電源，就可在偏遠(yuǎn)地點(diǎn)給微處理器或發(fā)送器供電。

解決方案

顯然，在應(yīng)用或最終產(chǎn)品中采用高效率能量管理有很多好處，同時(shí)高效率能量管理還減輕了給寶貴和有限的全球資源帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。這不僅有利于企業(yè)，也有利于環(huán)境。那么，到哪里去找這種合適的產(chǎn)品來(lái)設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)呢? 凌力爾特公司就一直在設(shè)計(jì)和開發(fā)很多新的電源管理和轉(zhuǎn)換 IC，這些 IC 效率更高、具備數(shù)字遙測(cè)和接口功能、從環(huán)境能源中收集少量能量并具備非常低的靜態(tài)電流。

I2C 等標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)字總線的使用使得能夠與采用數(shù)字技術(shù)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行簡(jiǎn)便和高效率通信，而且 PMBus 等新標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)現(xiàn)組件互操作性提供了方便。重要的穩(wěn)壓器參數(shù) (例如啟動(dòng)特性和定時(shí)、輸出電壓和電流限制、裕度調(diào)節(jié)規(guī)格以及過(guò)壓和欠壓監(jiān)察限制) 都可以直接以數(shù)字方式設(shè)定，而無(wú)需用電阻和耗費(fèi)空間的排序與監(jiān)視產(chǎn)品設(shè)定。此外，關(guān)鍵工作參數(shù) (例如溫度以及輸入和輸出電壓及電流) 都可以定時(shí)監(jiān)視，并用來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能和可靠性。

正確部署數(shù)字電源以后，可以降低數(shù)據(jù)中心功耗、加快產(chǎn)品上市、實(shí)現(xiàn)卓越的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)，并提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等系統(tǒng)的總體可靠性。

現(xiàn)在的情況迫使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和性能，增加功能和特性。同時(shí)，他們還面臨著降低系統(tǒng)總體功耗的壓力。數(shù)據(jù)中心面對(duì)的挑戰(zhàn) 是，通過(guò)重新調(diào)度工作流程，將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未得到充分利用的服務(wù)器上，以關(guān)掉一些服務(wù)器，從而降低總體功耗。為了滿足這些要求，有必要了解最終用戶設(shè)備的功 耗。正確設(shè)計(jì)的數(shù)字電源管理系統(tǒng)可以為用戶提供功耗數(shù)據(jù)，允許做出智能能量管理決策。

凌力爾特公司的 LTC388x 系列數(shù)字電源 IC 針對(duì)關(guān)鍵負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器功能的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視提供高分辨率可編程性和快速遙測(cè)回讀，因此提供了高度準(zhǔn)確的數(shù)字電源系統(tǒng)管理。例如，LTC3880 是一款雙輸出高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，具備基于 I2C 的PMBus 接口，可使用超過(guò) 100 條命令，有內(nèi)置 EEPROM。該器件整合了同類最佳模擬開關(guān)穩(wěn)壓器控制器和精確的混合信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理，具易用 GUI 的 LTpowerPlay? 軟件開發(fā)系統(tǒng)支持該器件。

對(duì)于在工業(yè)無(wú)線傳感器甚至可穿戴技術(shù)應(yīng)用中進(jìn)行少量能量收集而言，凌力爾特專門設(shè)計(jì)了 LTC3331 來(lái)滿足這類應(yīng)用的要求，如圖 1 所示。

LTC3331 是一款完整的能量收集 (EH) 調(diào)節(jié)解決方案，提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流，以在可收集能量可用時(shí)延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)用收集的能量向負(fù)載提供穩(wěn)定功率時(shí)，該器件無(wú)需電池提供電源電流，而在無(wú)負(fù)載情況下用電池供電時(shí)，僅需要 950nA 工作電流。LTC3331 集成了一個(gè)高壓能量收集電源，還有一個(gè)由可再充電主電池供電的同步降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，這樣就可以為能量收集應(yīng)用提供一個(gè)不間斷輸出，例如無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 中的那類能量收集應(yīng)用。

LTC3331 的能量收集電源由一個(gè)適合 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器組成，從壓電 (AC)、太陽(yáng)能 (DC) 或磁性 (AC) 能源收集能量。10mA 分流電流允許簡(jiǎn)便地用收集的能量給電池充電，同時(shí)低電池電量斷接功能保護(hù)電池免于深度放電?？稍俪潆婋姵貫橥浇祲?升壓型轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在 1.8V 至 5.5V 輸入電壓范圍內(nèi)工作，當(dāng)收集能量不可用時(shí)，無(wú)論輸入高于、低于或等于輸出，都可用來(lái)調(diào)節(jié)輸出。當(dāng)應(yīng)對(duì)微功率電源時(shí)，LTC3331 電池充電器有一項(xiàng)非常重要、不容忽視的電源管理功能。LTC3331 能夠?qū)﹄姵爻潆娖鬟M(jìn)行邏輯控制，因此僅當(dāng)能量收集電源有多余的能量時(shí)，才會(huì)給電池充電。如果沒(méi)有這種邏輯控制功能，能量收集電源就會(huì)在啟動(dòng)時(shí)卡在某個(gè)非最佳工作點(diǎn)上，不能完成啟動(dòng)過(guò)程以給目標(biāo)應(yīng)用供電。當(dāng)能量收集電源不再可用時(shí)，LTC3331 自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電池供電。這又增加了一個(gè)好處：如果適合的能量收集電源至少在一半時(shí)間內(nèi)可用，那么就允許電池供電的 WSN 將工作壽命從 10 年延長(zhǎng)至超過(guò) 20 年，如果能量收集能源更普遍，其壽命甚至能夠延長(zhǎng)更長(zhǎng)時(shí)間。該器件還集成了一個(gè)超級(jí)電容器平衡器，從而可提高輸出存儲(chǔ)能力。

結(jié)論

有很多產(chǎn)品有助于使我們的生活變得更舒適、更有成效、更方便。不過(guò)，代價(jià)之一是，會(huì)耗盡我們的自然資源。然而，社會(huì)不會(huì)不嘗試降低這種潛在的負(fù)面影 響，就讓這種情況發(fā)生。解決這個(gè)問(wèn)題的一項(xiàng)主要行動(dòng)是負(fù)責(zé)任地使用我們的能源。最有效的使用方式之一是，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行高 效率能量管理。

不過(guò)，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要提供必要的基本構(gòu)件型電源管理和轉(zhuǎn)換 IC。幸運(yùn)的是，由于凌力爾特等公司提供的模擬電源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以針對(duì)他們的最終設(shè)備做出恰當(dāng)?shù)倪x擇。