安森美半導體應對智能電網(wǎng)挑戰的高能效解決方案

　　多家市場(chǎng)調研機構預計，到2030年，可再生能源(如風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電)在全球能源消費總量中所占的份額將大幅上升。倡導節能減排、綠色發(fā)展對所有行業(yè)提出了新的要求，迎合低碳經(jīng)濟時(shí)代的節能設計已成為能源企業(yè)和電子產(chǎn)品競爭力的重要體現。

　　市場(chǎng)機遇與挑戰

　　發(fā)展可再生能源是大勢所趨。而太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電是智能電網(wǎng)的組成部分，同屬于分布式發(fā)電范疇。推動(dòng)智能電網(wǎng)發(fā)展可以帶來(lái)許多優(yōu)勢，如利用雙向通訊實(shí)現需求對應管理，緩和用電高峰，快速發(fā)現故障，避免停電事故，從而實(shí)現更高能效、可靠性及安全性;智能地整合新的替代能源，并為電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)提供電力;更好地調整能源供需，更高效地利用發(fā)電廠(chǎng)及電網(wǎng)，減少碳排放量;提供動(dòng)態(tài)的費率表，幫助客戶(hù)優(yōu)化總電能消費及電費支出，改善客戶(hù)服務(wù);及遠程讀表及遠程通電和斷電可以節省人力成本，提高運營(yíng)效率等。

　　在推進(jìn)可持續發(fā)展的共識下，中國目前正在大力發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能等產(chǎn)業(yè)，前景看好。其中太陽(yáng)能領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，太陽(yáng)能發(fā)電等都獲得了長(cháng)足發(fā)展，太陽(yáng)能街道照明也越來(lái)越受到青睞。此外，為導入新一代智能電網(wǎng)而完善電力基礎設施，中國政府制訂了到2020年投入4萬(wàn)億元人民幣的宏偉目標，其中的“堅強的智能化電網(wǎng)(Strong&Smart Grid)”的概念已在上海世博會(huì )展示。

　　不過(guò)，在發(fā)展可再生能源和升級改造現有電網(wǎng)的同時(shí)，也面臨著(zhù)不少挑戰。對半導體行業(yè)來(lái)說(shuō)，最大的挑戰莫過(guò)于能量轉換，因為發(fā)展可再生能源的關(guān)鍵在于優(yōu)化能效。以太陽(yáng)能供電的LED街道照明為例，這種應用需要高效可靠的太陽(yáng)能板充電控制器，以及LED驅動(dòng)器等關(guān)鍵器件，需求相當可觀(guān)。而智能電網(wǎng)從發(fā)電、配電和現場(chǎng)區域網(wǎng)到智能電表通信及家庭區域網(wǎng)，也都需要諸多電子元器件。其中包括功率因數控制器、交流-直流(AC-DC)和直流-直流(DC-DC)控制器、穩壓器、MOSFET、三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件(TRIAC)、電力線(xiàn)載波調制解調器、濾波、輸入/輸出(I/O)及數據保護、線(xiàn)路驅動(dòng)器及信號放大器、LCD背光驅動(dòng)器、EEPROM存儲器及智能卡接口等。

　　應用于智能電網(wǎng)的高能效解決方案示例

　　1. 提升太陽(yáng)能電池板光電轉換能效的方案

　　近年來(lái)，業(yè)界越來(lái)越關(guān)注利用可再生清潔能源太陽(yáng)能的街道照明。對于太陽(yáng)能街燈而言，提高太陽(yáng)能電池板的光電轉換能效非常重要。太陽(yáng)能電池板的電壓-電流(V-I)特性曲線(xiàn)呈現非線(xiàn)性和可變性，要從中獲取最大量的電能非常困難。這需要太陽(yáng)能LED街燈的充電控制器及其他相關(guān)電子電路(一般采用微控制器來(lái)實(shí)現)盡可能采用有效的控制方法來(lái)提高能效。

　　安森美半導體的CS51221增強型電壓模式PWM控制器就是一種可提高太陽(yáng)能電池板能效的器件。它可以控制太陽(yáng)能板電池充電，支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能，為太陽(yáng)能電池不斷變化的V-I特性曲線(xiàn)提供補償，優(yōu)化太陽(yáng)能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。

　　在應用電路中，需要為CS51221選擇合適的拓撲結構。該拓撲結構要能夠在一個(gè)蓄電池的情況下將太陽(yáng)能板輸出電壓降至12V，而在兩個(gè)或多個(gè)蓄電池情況下也能輕易修改，支持升壓至24V。CS51221本身能夠配置為正激、反激或升壓拓撲結構。在針對太陽(yáng)能板充電控制應用推出的參考設計中，安森美半導體選擇的是反激拓撲結構。

　　在應用中，通過(guò)在ISET引腳動(dòng)態(tài)調節電流限制，從而實(shí)現最大峰值功率追蹤功能。一旦輸入電壓逐脈沖下降，電流限制就會(huì )被降低，直至輸入電壓恢復。這種方式無(wú)需使用價(jià)格昂貴的微控制器。這樣實(shí)現的充電控制器會(huì )發(fā)現峰值功率點(diǎn)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調節，使其符合不斷變化的電源特性。實(shí)際上，通過(guò)采用最大峰值功率追蹤技術(shù)，可以將較以往多30%的電荷從太陽(yáng)能板傳輸至蓄電池，這樣太陽(yáng)能街燈系統就可以采用尺寸更小的太陽(yáng)能板，從而帶來(lái)顯著(zhù)的成本效益。圖1是采用安森美半導體CS51221控制器的太陽(yáng)能板充電控制應用示意圖。

　　圖1：采用安森美半導體CS51221控制器的太陽(yáng)能板充電控制應用

　　http://www.globalsca.com/UploadFile/TpNews_Images/200904131030589767.pdf

　　此外，安森美半導體的NCP3066恒流降壓穩壓器也能用于太陽(yáng)能街燈的LED驅動(dòng)應用，提供系統所需的功率及光輸出，并具有極高的能效。