智能電源管理[權(quán)威資料]

智能電源管理 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘要：綠色節(jié)能，對電源的智能管理提出了更高的要求，不僅需要電源系統(tǒng)具有更高的轉(zhuǎn)換效率，還需要對電源系統(tǒng)進行動態(tài)運行的能效分析和控制，使得電源系統(tǒng)隨著各種條件的變化，始終實現(xiàn)高效節(jié)能。 關(guān)鍵詞：智能；電源管理；智能電網(wǎng)；功率半導(dǎo)體 DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.2.001 一切智能化之時，能源管理是否也應(yīng)該走向智能化？ 當(dāng)人們再談?wù)摳鞣N節(jié)能減排，可再生能源、綠色電子技術(shù)之時，很容易忽略掉的是，如何通過更好的規(guī)劃電源使用的不同場景，進行有針對性的調(diào)整，以達(dá)到更高的電源利用效率，這其實也是一種卓有成效的環(huán)保策略。更重要的是，在確保用戶體驗不受影響的前提下，再談節(jié)能環(huán)保才有實際商業(yè)的意義，而這種根據(jù)工作狀態(tài)進行運行狀態(tài)調(diào)整的智能管理，前提就是不僅不影響用戶體驗，反而能滿足用戶對更高體驗的追求的解決方案，而從成本角度上看，雖然前期在硬件和軟件方面的支出，并需要更多的維護運營成本，但通過節(jié)省了能源消耗和提升系統(tǒng)工作效率與主系統(tǒng)的工 作時間角度考量，整體的使用成本其實是有所下降的。所以，智能化能源管理，是未來重要的節(jié)能趨勢。 大到智能電網(wǎng)，普遍到各種電源控制與模式調(diào)整，細(xì)微到元器件內(nèi)部的智能 PMU，智能化電源管理正在人們的生活中變得越來越普遍。據(jù) Gartner 分析，在各種半導(dǎo)體改變能源效率的應(yīng)用中，智能化能源管理是增加用戶體驗最行之有效的方式，并且會在未來 3-5 年內(nèi)逐漸成為節(jié)能降耗最主要的技術(shù)趨勢。而在智能化電源管理過程中，半導(dǎo)體產(chǎn)品的應(yīng)用量將是以每年 20%的數(shù)量遞增。 廣泛意義上的智能電源管理，是一個完整的軟件與硬件相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)，智能電源管理未來發(fā)展的重要主題就是高能效。首先要有能夠?qū)﹄娫聪到y(tǒng)進行控制管理以及采集各種工作信息參數(shù)的硬件設(shè)備，然后通過智能電源系統(tǒng)里面的管理軟件，檢測各個設(shè)備單元的當(dāng)前參數(shù)，如電壓、電流、溫度、負(fù)載變化情況等，然后根據(jù)獲取的各單元運行參數(shù)通過各種通信協(xié)議傳輸，匯總到處理單元進行調(diào)度管理，以實現(xiàn)電源系統(tǒng)各單元的有選擇性、高能效、高可靠的運行。 隨著 3G 技術(shù)的迅猛發(fā)展，金融、電信網(wǎng)絡(luò)的新一代基站和數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，也對電源動力系統(tǒng)提出了更高的要求。與此同時， 3G 技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模普 及，集中度越來越高，數(shù)據(jù)量傳輸量越來越大，這就要求電源廠商必須加大對創(chuàng)新技術(shù)的投入，提高產(chǎn)品的高效節(jié)能性能，并通過推出高附加值的產(chǎn)品或解決方案來為用戶節(jié)約投資成本，同時保障運行的穩(wěn)定性和高效性，才能充分保障用戶體驗。系統(tǒng)應(yīng)用對電源用電量的增加給電源提出了更高的挑戰(zhàn)，可靠性、穩(wěn)定性都需要達(dá)到更高的要求。 綠色、模塊化、智能化一直是這幾年電源動力系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新的重點。綠色要求電源系統(tǒng)以高效率、高功率因數(shù)運行，不會對電網(wǎng)造成諧波污染，不對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾；模塊化要求電源提升系統(tǒng)的可靠性；智能化要求電源 實現(xiàn)了靈活的故障診斷與保護，確?？煽窟\行。 在本文中，我們很難關(guān)注涉及整個智能電源管理的整個系統(tǒng)，我們僅從半導(dǎo)體產(chǎn)品的角度去探討智能電源管理系統(tǒng)對半導(dǎo)體產(chǎn)品的需求以及帶來的改變。 智能化逐漸成為電源管理市場的新趨勢，面對智能化的能源和電源管理趨勢，電源半導(dǎo)體產(chǎn)品的面臨著全新的需求與技術(shù)上的挑戰(zhàn)。 智能電源日漸盛行， NXP 大中華區(qū)資深產(chǎn)品營銷經(jīng)理張錫亮認(rèn)為，這為數(shù)字控制系統(tǒng)和數(shù)字通信帶來諸多機會，包括無線和有線方式。由于系統(tǒng)可以準(zhǔn)確知道所需電量并要求供應(yīng)相應(yīng)電量，因此 智能電源可以節(jié)省更多用電。它還帶來了組合發(fā)展機遇，例如在電源線上進行數(shù)據(jù)通信。對發(fā)電廠而言，更容易獲知電源負(fù)載 （或需求），從而更易于準(zhǔn)備充足的電量。而對于個人和家庭而言，有更多的電源可供智能分配，如太陽能、風(fēng)力發(fā)電和發(fā)電廠供電。一些趨勢推動著智能電源不斷發(fā)展： “ 越來越多的檢測和通信方式 （有線及無線） 耗用更低的電量，例如電源上的數(shù)據(jù)、 Zigbee、 WIFI等 ” 。 TI 中國區(qū)業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理程文濤將電源半導(dǎo)體產(chǎn)品在智能化電源系統(tǒng)中應(yīng)用分為兩個方面，一是增加電源和控制系統(tǒng)之間的通訊的智能，這一點以目前 服務(wù)器電源的發(fā)展為代表；二是電源自身優(yōu)化控制的智能，這一點以 TI 的 UCD3K 為代表。當(dāng)然 TI 的 UCD3K 系列產(chǎn)品也包含了與控制系統(tǒng)之間通訊的智能。目前，在網(wǎng)絡(luò)及通訊領(lǐng)域，對電源本身的監(jiān)控、調(diào)節(jié)、保護，以及增加電源的智能以保護昂貴的主芯片等方面的要求越來越普遍，市場需求越來越大。在不增加總體成本的前提下如果要達(dá)到這些要求，數(shù)字控制的電源，或模擬控制帶數(shù)字接口的電源成為必需。這已經(jīng)成為高端電源產(chǎn)品發(fā)展的一個共同方向。 智能電源管理技術(shù)供應(yīng)商已不僅僅局限在電源技術(shù)本身，同時更多地關(guān)注系統(tǒng)信號鏈的把握和系 統(tǒng)的應(yīng)用。在器件設(shè)計角度來看，通過器件帶有的特性提升整體工作效率。比如，電源器件通過檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓來達(dá)到效率優(yōu)化的目的。從工藝角度來看，功率器件工藝的改進是提高效率的關(guān)鍵。 ADI 公司電源管理部門市場工程師張潔萍的視角比較關(guān)注通信接口方面，她認(rèn)為，智能化電源管理需要對用電設(shè)備進行即時監(jiān)控，包括電流、電壓等數(shù)值的讀取、分析，進而可以對用電設(shè)備的關(guān)斷電、重啟進行遠(yuǎn)程操作，實現(xiàn)用電的科學(xué)管理，實現(xiàn)綜合節(jié)能。因此，在智能化電源領(lǐng)域， PMbus 接口已逐步成為電源領(lǐng)域通用的接口方式之一，同時電源產(chǎn) 品與主控機之間的通信及監(jiān)控等功能的集成化也日益增多。高效、節(jié)能、環(huán)保仍是不變的方向發(fā)展，產(chǎn)品小型化，高功率密度也是設(shè)計新一代產(chǎn)品的關(guān)注點。 在設(shè)計挑戰(zhàn)方面，創(chuàng)新的技術(shù)同樣應(yīng)運而生。提升能效是電源半導(dǎo)體產(chǎn)品持之以恒的要求和趨勢。一方面，可以采用創(chuàng)新的電源架構(gòu)來優(yōu)化電源在完整負(fù)載范圍內(nèi)的能效。另一方面，可以細(xì)致分析電源各個可能的功率損耗來源，采取針對性的措施來減小功率損耗，進而提升能效，并配合減小尺寸及提升功率密度。而隨著半導(dǎo)體制造工藝及封裝技術(shù)的進步，智能功率 IC 及智能功率模塊也將是電源半導(dǎo)體產(chǎn)品的 重要發(fā)展趨勢。 例如，安森美半導(dǎo)體電源市場全球銷售及營銷高級總監(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)動器。早期的功率模塊在單個封裝中整合多個閘流體 /整流器，從而提供更高的額定功率。過去三十年來已經(jīng)獲得重大突破。當(dāng)今的模塊將功率半導(dǎo)體 與感測、驅(qū)動、保護及控制功能結(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)動器，可能還有控制器組成； PIM 并列幾個IGBT/整流器，覆蓋 10 kW 到 1 MW 的額定功率，如圖 1。 數(shù)字電源和模擬電源，一直是現(xiàn)在市場上既競爭又合作的兩種技術(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，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，可以針對不同應(yīng)用方便的調(diào)節(jié)所需參數(shù)，如輸出電壓、過流點、頻率等，對所需的信號實現(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。對于模擬電源技術(shù)，存在一些固有的缺點，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，在智能化需求較高的應(yīng)用場合已逐步被數(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并存，但對于大功率應(yīng)用（如服務(wù)器電源） 來說，由于瓦特數(shù)更高 ，目前已開始采用數(shù)字電源，其帶來更多的益處，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)可計算的功率持續(xù)增加且成本減少，數(shù)字電源管理將會占據(jù)主流。 Maxim 戰(zhàn)略市場應(yīng)用經(jīng)理 Jon Day 認(rèn)為，先進的數(shù)字調(diào)制技術(shù)具有自動補償和改善瞬態(tài)性能的優(yōu)勢，這從幾個方面簡化了設(shè)計：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，盡管數(shù)字與模擬之間的成本差距日漸縮 小。過去，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 GUI）對于數(shù)字控制架構(gòu)的開發(fā)和應(yīng)用十分重要。數(shù)字架構(gòu)的自動補償和預(yù)測性負(fù)載補償需要采用更加復(fù)雜的算法。此類架構(gòu)的開發(fā)及實施將是區(qū)分眾多電源管理廠商技術(shù)優(yōu)勢的主要依據(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)計靈活性、多模式控制及實現(xiàn)復(fù)雜控制理論等方面有著模擬電源無法比擬的優(yōu)勢。因此，這類應(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)計及相對較低的成本，在消費類以的應(yīng)用 - 例如充電器，適配器，機頂盒，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)焕^續(xù)采用，并隨著市場的增長而增長。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)計的電源必須提供易于使用，功能齊全的圖形用戶界面（ GUI）來幫助客戶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。 TI 為此發(fā)展出了 Fusion Digital Power Designer，使用戶由接觸 到上手的過程變得非常簡潔高效，同時對客戶使用中的調(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的功率轉(zhuǎn)換解決方案。 智能電網(wǎng)，是智能電源管理的宏觀展現(xiàn)，智能電網(wǎng)無論從控制到電表，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，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，還要時時考慮節(jié)水問題。從現(xiàn)階 段看，我們需要并即將看到越來越多的創(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，從而極大地延長電池使用壽命。最終，利用超低功耗微控制器實現(xiàn)電能測量和智能表計，將這種簡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 ” 必將對大眾化用電人群產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。從提高效率入手對能源進行管控，積極應(yīng)對上述挑戰(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，電源技術(shù)的發(fā)展也將持續(xù)帶動電池供電移動設(shè)備的節(jié)能變革。那么，兩者的結(jié)合點在哪里？當(dāng)兩個應(yīng)用領(lǐng)域的成本、功耗達(dá)到相同水平時，即為兩者的結(jié)合點。這是由市場而非技術(shù)驅(qū)動的。 對于智能電網(wǎng)應(yīng)用，高效率 AC-DC 和高效率 DC-AC 都是實現(xiàn)理想目標(biāo)的關(guān)鍵。無論用戶安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)，還是類似于 LED 燈這樣的簡單設(shè)備，都會用到上述兩種轉(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。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(dǎo)體基于 NCP1251B 電流模式 PWM 控制器及 2SK4177 1， 500 V、 2 A、 13 單 N 溝道功率 MOSFET 的低功率智能電表設(shè)計就符合這些應(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(shè)計挑戰(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，同時要求電源本身的功耗極低。 文檔資料：智能電源管理 完整下載 完整閱讀 全文下載 全文閱讀 免費閱讀及下載 閱讀相關(guān)文檔 :內(nèi)蒙古動漫產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究 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