智能電源管理

　　例如，安森美半導體電源市場(chǎng)全球銷(xiāo)售及營(yíng)銷(xiāo)高級總監鄭兆雄介紹了結合型雙極/CMOS/DMOS(BCD)技術(shù)的出現，使模擬、數字及電源方面的系統設計能夠整合在單片襯底上，這就導致智能功率IC誕生。后續的BCD工藝改善了高壓隔離、數字特征尺寸(提供更高模擬精度、邏輯速度、密度等)及功率處理能力?，F代工藝能夠整合數字處理器、RAM/ROM內存、內嵌式內存及電源驅動(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。當今的模塊將功率半導體與感測、驅動(dòng)、保護及控制功能結合在一起。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、預驅動(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。

　　數字電源的契機

　　數字電源和模擬電源，一直是現在市場(chǎng)上既競爭又合作的兩種技術(shù)，雖然傳統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，但是在智能化能源管理系統中，數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。

　　數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、有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)數據通訊等工業(yè)與醫療設備應用。數字電源具有一定的靈活性，可以針對不同應用方便的調節所需參數，如輸出電壓、過(guò)流點(diǎn)、頻率等，對所需的信號實(shí)現采集及監控等功能。數字電源將向高集成化、易于調節等方面而努力。對于模擬電源技術(shù)，存在一些固有的缺點(diǎn)，比如靈活性、監控性能欠佳，電壓精度不及數字電源好等特點(diǎn)，在智能化需求較高的應用場(chǎng)合已逐步被數字電源所取代。張錫亮認為，數字電源和模擬電源將同時(shí)并存，但對于大功率應用 (如服務(wù)器電源) 來(lái)說(shuō)，由于瓦特數更高，目前已開(kāi)始采用數字電源，其帶來(lái)更多的益處，有利于數字電源的普及。美高森美公司功率產(chǎn)品部門(mén)戰略業(yè)務(wù)發(fā)展總監Keith Westrum表明態(tài)度，由于數字系統可計算的功率持續增加且成本減少，數字電源管理將會(huì )占據主流。

　　Maxim戰略市場(chǎng)應用經(jīng)理Jon Day認為，先進(jìn)的數字調制技術(shù)具有自動(dòng)補償和改善瞬態(tài)性能的優(yōu)勢，這從幾個(gè)方面簡(jiǎn)化了設計：更高精度的穩壓輸出、減少元件數量(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，盡管數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計工藝)，現在這一差距已經(jīng)微乎其微。軟件或特定固件(以及相關(guān)的設計GUI)對于數字控制架構的開(kāi)發(fā)和應用十分重要。數字架構的自動(dòng)補償和預測性負載補償需要采用更加復雜的算法。此類(lèi)架構的開(kāi)發(fā)及實(shí)施將是區分眾多電源管理廠(chǎng)商技術(shù)優(yōu)勢的主要依據。

　　智能化的數字電源，在網(wǎng)絡(luò )、通信，及中大功率的逆變、調速等復雜系統中，在物料清單、設計靈活性、多模式控制及實(shí)現復雜控制理論等方面有著(zhù)模擬電源無(wú)法比擬的優(yōu)勢。因此，這類(lèi)應用將是數字電源目前需求最旺盛的。而傳統的模擬電源，以其已于設計及相對較低的成本，在消費類(lèi)以的應用 - 例如充電器，適配器，機頂盒，電視等， 以及中小功率的基礎設備、工業(yè)控制等領(lǐng)域將會(huì )被繼續采用，并隨著(zhù)市場(chǎng)的增長(cháng)而增長(cháng)。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，電源半導體廠(chǎng)商設計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)對客戶(hù)使用中的調試，診斷也提供了極大的便利。這套工具與UCD系列的產(chǎn)品構成了一套完善而先進(jìn)的功率轉換解決方案。

　　智能電網(wǎng)

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

　　Maxim戰略市場(chǎng)應用經(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計中，電源器件所面臨的挑戰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)考慮節水問(wèn)題。從現階段看，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(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(cháng)電池使用壽命。最終，利用超低功耗微控制器實(shí)現電能測量和智能表計，將這種簡(jiǎn)單的傳感器嵌入電力線(xiàn)上，僅從電力線(xiàn)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”必將對大眾化用電人群產(chǎn)生深遠影響。從提高效率入手對能源進(jìn)行管控，積極應對上述挑戰，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)達到節能的目的。同時(shí)，電源技術(shù)的發(fā)展也將持續帶動(dòng)電池供電移動(dòng)設備的節能變革。那么，兩者的結合點(diǎn)在哪里?當兩個(gè)應用領(lǐng)域的成本、功耗達到相同水平時(shí)，即為兩者的結合點(diǎn)。這是由市場(chǎng)而非技術(shù)驅動(dòng)的?！　?/p>

         

　　對于智能電網(wǎng)應用，高效率AC-DC和高效率DC-AC都是實(shí)現理想目標的關(guān)鍵。無(wú)論用戶(hù)安裝太陽(yáng)能發(fā)電系統，還是類(lèi)似于LED燈這樣的簡(jiǎn)單設備，都會(huì )用到上述兩種轉換器。在大規模配電系統中，我們可能會(huì )在交流系統中看到微型直流配電站，這在高壓大規模電力傳輸系統以及低壓LED家用或建筑照明系統中比較常見(jiàn)。兩種情況下，能源的高效轉換、電壓精度和有源監控都是保證系統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(huà)，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計就符合這些應用要求，不僅支持70至520 Vac的超寬電壓范圍，還支持隔離，且待機能耗極低。

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