智能電源管理

摘要：綠色節能，對電源的智能管理提出了更高的要求，不僅需要電源系統具有更高的轉換效率，還需要對電源系統進行動態運行的能效分析和控制，使得電源系統隨著各種條件的變化，始終實現高效節能。

關鍵詞：智能；電源管理；智能電網；功率半導體

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.2.001

一切智能化之時，能源管理是否也應該走向智能化？

當人們再談論各種節能減排，可再生能源、綠色電子技術之時，很容易忽略掉的是，如何通過更好的規劃電源使用的不同場景，進行有針對性的調整，以達到更高的電源利用效率，這其實也是一種卓有成效的環保策略。更重要的是，在確保用戶體驗不受影響的前提下，再談節能環保才有實際商業的意義，而這種根據工作狀態進行運行狀態調整的智能管理，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，但通過節省了能源消耗和提升系統工作效率與主系統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，是未來重要的節能趨勢。

大到智能電網，普遍到各種電源控制與模式調整，細微到元器件內部的智能PMU，智能化電源管理正在人們的生活中變得越來越普遍。據Gartner分析，在各種半導體改變能源效率的應用中，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年內逐漸成為節能降耗最主要的技術趨勢。而在智能化電源管理過程中，半導體產品的應用量將是以每年20%的數量遞增。

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合的復雜系統，智能電源管理未來發展的重要主題就是高能效。首先要有能夠對電源系統進行控制管理以及采集各種工作信息參數的硬件設備，然后通過智能電源系統里面的管理軟件，檢測各個設備單元的當前參數，如電壓、電流、溫度、負載變化情況等，然后根據獲取的各單元運行參數通過各種通信協議傳輸，匯總到處理單元進行調度管理，以實現電源系統各單元的有選擇性、高能效、高可靠的運行。

隨著3G技術的迅猛發展，金融、電信網絡的新一代基站和數據中心的建設，也對電源動力系統提出了更高的要求。與此同時，3G技術通信網絡大規模普及，集中度越來越高，數據量傳輸量越來越大，這就要求電源廠商必須加大對創新技術的投入，提高產品的高效節能性能，并通過推出高附加值的產品或解決方案來為用戶節約投資成本，同時保障運行的穩定性和高效性，才能充分保障用戶體驗。系統應用對電源用電量的增加給電源提出了更高的挑戰，可靠性、穩定性都需要達到更高的要求。

綠色、模塊化、智能化一直是這幾年電源動力系統技術創新的重點。綠色要求電源系統以高效率、高功率因數運行，不會對電網造成諧波污染，不對其他設備產生電磁干擾；模塊化要求電源提升系統的可靠性；智能化要求電源實現了靈活的故障診斷與保護，確保可靠運行。

在本文中，我們很難關注涉及整個智能電源管理的整個系統，我們僅從半導體產品的角度去探討智能電源管理系統對半導體產品的需求以及帶來的改變。

智能化趨勢的挑戰

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，電源半導體產品的面臨著全新的需求與技術上的挑戰。

智能電源日漸盛行，NXP大中華區資深產品營銷經理張錫亮認為，這為數字控制系統和數字通信帶來諸多機會，包括無線和有線方式。由于系統可以準確知道所需電量并要求供應相應電量，因此智能電源可以節省更多用電。它還帶來了組合發展機遇，例如在電源線上進行數據通信。對發電廠而言，更容易獲知電源負載 （或需求），從而更易于準備充足的電量。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、風力發電和發電廠供電。一些趨勢推動著智能電源不斷發展：“越來越多的檢測和通信方式 （有線及無線） 耗用更低的電量，例如電源上的數據、Zigbee、WIFI等”。

TI中國區業務發展經理程文濤將電源半導體產品在智能化電源系統中應用分為兩個方面，一是增加電源和控制系統之間的通訊的智能，這一點以目前服務器電源的發展為代表；二是電源自身優化控制的智能，這一點以TI的UCD3K為代表。當然TI的UCD3K系列產品也包含了與控制系統之間通訊的智能。目前，在網絡及通訊領域，對電源本身的監控、調節、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到這些要求，數字控制的電源，或模擬控制帶數字接口的電源成為必需。這已經成為高端電源產品發展的一個共同方向。

智能電源管理技術供應商已不僅僅局限在電源技術本身，同時更多地關注系統信號鏈的把握和系統的應用。在器件設計角度來看，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的工作狀態，如動態調節輸出電壓來達到效率優化的目的。從工藝角度來看，功率器件工藝的改進是提高效率的關鍵。ADI公司電源管理部門市場工程師張潔萍的視角比較關注通信接口方面，她認為，智能化電源管理需要對用電設備進行即時監控，包括電流、電壓等數值的讀取、分析，進而可以對用電設備的關斷電、重啟進行遠程操作，實現用電的科學管理，實現綜合節能。因此，在智能化電源領域，PMbus接口已逐步成為電源領域通用的接口方式之一，同時電源產品與主控機之間的通信及監控等功能的集成化也日益增多。高效、節能、環保仍是不變的方向發展，產品小型化，高功率密度也是設計新一代產品的關注點。

在設計挑戰方面，創新的技術同樣應運而生。提升能效是電源半導體產品持之以恒的要求和趨勢。一方面，可以采用創新的電源架構來優化電源在完整負載范圍內的能效。另一方面，可以細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。而隨著半導體制造工藝及封裝技術的進步，智能功率IC及智能功率模塊也將是電源半導體產品的重要發展趨勢。

例如，安森美半導體電源市場全球銷售及營銷高級總監鄭兆雄介紹了結合型雙極/CMOS/DMOS（BCD）技術的出現，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。現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。過去三十年來已經獲得重大突破。當今的模塊將功率半導體與感測、驅動、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。

數字電源的契機

數字電源和模擬電源，一直是現在市場上既競爭又合作的兩種技術，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展的主流方向，主要面向服務器、電信系統、有線/無線數據通訊等工業與醫療設備應用。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、過流點、頻率等，對所需的信號實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，存在一些固有的缺點，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，在智能化需求較高的應用場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并存，但對于大功率應用（如服務器電源） 來說，由于瓦特數更高，目前已開始采用數字電源，其帶來更多的益處，有利于數字電源的普及。美高森美公司功率產品部門戰略業務發展總監Keith Westrum表明態度，由于數字系統可計算的功率持續增加且成本減少，數字電源管理將會占據主流。

Maxim戰略市場應用經理Jon Day認為，先進的數字調制技術具有自動補償和改善瞬態性能的優勢，這從幾個方面簡化了設計：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勢，盡管數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計工藝），現在這一差距已經微乎其微。軟件或特定固件（以及相關的設計GUI）對于數字控制架構的開發和應用十分重要。數字架構的自動補償和預測性負載補償需要采用更加復雜的算法。此類架構的開發及實施將是區分眾多電源管理廠商技術優勢的主要依據。

智能化的數字電源，在網絡、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、多模式控制及實現復雜控制理論等方面有著模擬電源無法比擬的優勢。因此，這類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、工業控制等領域將會被繼續采用，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，電源半導體廠商設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，并將電源半導體的潛力發揮出來。TI為此發展出了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試，診斷也提供了極大的便利。這套工具與UCD系列的產品構成了一套完善而先進的功率轉換解決方案。

智能電網

智能電網，是智能電源管理的宏觀展現，智能電網無論從控制到電表，都需要半導體技術的支持。

Maxim戰略市場應用經理David Andeen更關注智能電網中的需求，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，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，還要時時考慮節水問題。從現階段看，我們需要并即將看到越來越多的創新技術引入電池供電表計（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。

智能電網的“智能化能源管理”必將對大眾化用電人群產生深遠影響。從提高效率入手對能源進行管控，積極應對上述挑戰，例如：降低高峰用電量、提高配電效率（優化電壓/VAR、降低電壓跌落），以及采用LED照明等重大革新技術達到節能的目的。同時，電源技術的發展也將持續帶動電池供電移動設備的節能變革。那么，兩者的結合點在哪里？當兩個應用領域的成本、功耗達到相同水平時，即為兩者的結合點。這是由市場而非技術驅動的。

對于智能電網應用，高效率AC-DC和高效率DC-AC都是實現理想目標的關鍵。無論用戶安裝太陽能發電系統，還是類似于LED燈這樣的簡單設備，都會用到上述兩種轉換器。在大規模配電系統中，我們可能會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。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，目前智能電網的發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電壓的波動，同時要求電源本身的功耗極低。