智能電源為實現(xiàn)全面智能化鋪平道路

　　如今，無論是發(fā)電、轉換和配電還是電流的儲存與使用，半導體對于打造高效能源生態(tài)系統(tǒng)的貢獻越來越大。事實上，到2030年，在美國將有80%的能量流通過半導體器件進行傳輸。

　　在能源和電源管理領域，“智能化”這一前綴在很久之前就已經(jīng)被頻繁使用，例如含義寬泛的智能電網(wǎng)和智能逆變器等。在用于可替代能源、針對固態(tài)變壓器的新一代電子、智能電表和很多其它電源應用的普遍電子元器件中，“智能化”的增長趨勢也隨處可見。

　　智能電源在過去的20年中不斷演變。它最初是指一個電源芯片能夠自動地進行操作，以應對所出現(xiàn)的任何情況。而現(xiàn)在，它意味著電源芯片或模塊具有更高的智能化程度，并且具備更多“感測、評估和操作”的能力。

　　也許您已經(jīng)注意到，目前的充電器不但尺寸越來越小，而且越來越智能。在不影響電池使用壽命的情況下，它擁有了更快的充電速度和更高的效率，同時能夠在不同的系統(tǒng)需求下提供最優(yōu)的功率，并且在不充電時自動關閉。

　　現(xiàn)代電源管理IC間的通信能夠識別運行負載和運行模式，通過自動調節(jié)參數(shù)來提供最佳的操作性能并部署先進的信號處理算法。這一點與那些在隔離環(huán)境下為其余系統(tǒng)提供可靠電壓和電流的傳統(tǒng)電源模塊有顯著區(qū)別。

　　智能電源的發(fā)展影響巨大，下面就讓我們來了解一下值得注意的幾個類別和實例。

　　集中電源

　　集中電源IC和模塊能夠感知其它模塊與總體系統(tǒng)的需求，因此智能化水平也越來越高。在服務器或基站等目前的系統(tǒng)中，很多電源IC和模塊間不僅可以互相通信，還能與系統(tǒng)的其余部分進行通信，以提升各個子系統(tǒng)的電力傳輸效率。可靠功率轉換的重要性意味著實時遙感監(jiān)測、控制、感測以及功率循環(huán)，而所有的這一切都需要通信功能的支持。諸如電源管理總線 (PMBus) 的數(shù)字通信接口以及系統(tǒng)管理總線 (SMBus) 和I2C等某些其它協(xié)議已經(jīng)被采用和部署，以便將功率轉換模塊與總體智能系統(tǒng)控制融合起來。以太網(wǎng)供電 (PoE)、USB Type C和無線電源Qi標準等電力傳輸協(xié)議通過通信來驗證受電設備并決定傳輸?shù)碾娏?。電源系統(tǒng)管理器經(jīng)常被用來協(xié)調系統(tǒng)配電和監(jiān)控，同時與系統(tǒng)中的不同轉換器進行通信。

　　系統(tǒng)級功率優(yōu)化

　　現(xiàn)代手機通常能夠根據(jù)基站的距離調節(jié)輻射功率，以延長電池供電時間并可能降低干擾。事實上，很多系統(tǒng)都可以根據(jù)傳輸?shù)膬热菘焖俚卣{節(jié)它們的功率。功率放大器的電源可調制為跟蹤無線電信號網(wǎng)絡，以提高RF功率放大器的效率。

　　目前的充電器能夠監(jiān)視儲存的電荷、電池化學成分以及電池的溫度，并通過自動優(yōu)化為高效的快速充電提供適當?shù)碾娏骱碗妷骸Ｖ悄艹潆娖鞒掷m(xù)監(jiān)視電池的電荷狀態(tài) (SoC) 和健康狀態(tài) (SoH)，并且相應地調節(jié)充電的電流和電壓。

　　一個服務器中的現(xiàn)代處理器能夠將與其操作模式相關的預先警報發(fā)送至智能電源管理模塊，以實現(xiàn)高效地功率轉換管理。此外，處理器還能夠將其硬件特性反饋給電源模塊，如此一來，它便可以通過自適應電壓調節(jié) (AVS) 來為處理器決定正確的電壓電平。

　　實時電源轉換器調節(jié)

　　電源轉換器正在變得越來越高效。電源轉換器通過反饋環(huán)路來控制適當?shù)碾娏鬏敗ｉ_關式電源原本就擁有一個閉合的控制環(huán)路，用來決定轉換器在瞬時和穩(wěn)定狀態(tài)下的性能，而模擬控制環(huán)路通常被用于高效的轉換器中。雖然之前已經(jīng)研究了很多針對智能電源的先進自適應控制算法，直到最近才在開關式電源轉換器中采用了大量的數(shù)字和混合信號環(huán)路。

　　數(shù)字化和信號處理的消耗目前處于合理的范圍，特別是在更高功率的應用中，效率損失(由額外的數(shù)字電路引起)是可以忽略不計的。這個針對混合信號和數(shù)字控制的范圍從用于比例積分微分 (PID) 控制環(huán)路的邏輯電路，到針對更高功率和更精密算法，基于處理器且更為復雜的控制環(huán)路。除此之外，為了提升輕負載以及滿負載情況下的效率，同時提升動態(tài)響應和易用性，十分需要在不同的負載條件下，在運行中調諧功率轉換器的參數(shù)以優(yōu)化性能。

　　許多關鍵的集成電路和架構創(chuàng)新已經(jīng)為智能電源管理的蓬勃發(fā)展做出了巨大貢獻，例如高頻軟開關、多相位轉換器以及涉及信號處理算法的環(huán)路控制。同時，半導體工藝技術已經(jīng)為我們提供了先進的Bipolar CMOS DMOS (BCD) 工藝，可以將模擬、數(shù)字和功率器件組合在單個芯片上。更不用說氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 技術在功率晶體管品質方面已經(jīng)取得了巨大的進步。

　　隨著在能源生態(tài)系統(tǒng)中進行電源管理時所面臨的挑戰(zhàn)逐步增大，半導體行業(yè)將越來越關注智能電源的轉換，以及如何實現(xiàn)效率的提升。

　　TI的電源管理產(chǎn)品組合包括針對控制器、驅動器以及功率器件等所有細分市場的大范圍智能電源解決方案。

　　如欲了解更多信息，敬請訪問：

　　德州儀器CTO：2016值得關注的4個技術趨勢

　　Power House - 電源之家