“智能電源”已無(wú)處不在 從智能電源IC實(shí)現(xiàn)智能工業(yè)

作者：Patrick Le Fèvre，首席營(yíng)銷(xiāo)通信官，Powerbox公司

和許多其他定義一樣，“智能電源”已經(jīng)成為一個(gè)熱門(mén)詞匯，但有時(shí)很難理解“智能”部分的含義。換一種說(shuō)法，就是對(duì)最終用戶有什么好處?！爸悄茈娫础焙螘r(shí)流行很難確定，但是今天，從電源控制器IC到全自動(dòng)化工廠，“智能電源”已無(wú)處不在，而隨著工業(yè)4.0的不斷發(fā)展，其作為主要技術(shù)的地位也得到了確立。

智能電源的起源

如果以PWM為先驅(qū)，則“智能電源”誕生于1976年。當(dāng)時(shí)Silicon General公司推出了著名的脈寬調(diào)制器SG1524芯片。但對(duì)我們中的許多人來(lái)說(shuō)，則是在90年代中期，半導(dǎo)體行業(yè)通過(guò)向電源控制IC中增加更多功能才突破了芯片的發(fā)展界限。

Nihal Kulartna在其1998年出版的“Power electronics design handbook low-power components and application”（電力電子設(shè)計(jì)手冊(cè)：低功耗元器件及應(yīng)用）一書(shū)中認(rèn)為， “智能電源”一詞與提高芯片級(jí)的功能等級(jí)、減少電源控制器所需周?chē)骷?shù)量、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和減少客戶電路板上所需空間更具相關(guān)性。在那時(shí)，我們把添加到單一芯片中的其他功能命名為驅(qū)動(dòng)電路、熱保護(hù)、過(guò)壓和欠壓保護(hù)、電流限制和診斷。

90年代末，為了減少空間和成本，汽車(chē)和消費(fèi)電子行業(yè)對(duì)功能提出了高集成度的要求，而為了滿足這些行業(yè)對(duì)環(huán)境和成本的苛刻要求，智能電源控制器應(yīng)運(yùn)而生。

盡管在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)，“智能電源”的定義可能已經(jīng)很清晰了，但是在電源業(yè)界，有關(guān)“智能電源”的討論和辯論仍然非常激烈，特別是當(dāng)所謂的“數(shù)字電源”這種新技術(shù)也成為廣泛討論的主題時(shí)。Nihal Kulartna圓通地得出結(jié)論，“智能電源”一詞的使用是出于習(xí)慣上的原因而非技術(shù)上的原因，現(xiàn)在情況仍然如此。

當(dāng)數(shù)字技術(shù)使電源更智能化時(shí)！

對(duì)于21世紀(jì)的電力電子設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，“智能電源”從數(shù)字電源的實(shí)現(xiàn)開(kāi)始帶來(lái)了一個(gè)新的維度，即可以通過(guò)使用微控制器和軟件以“智能”的方式來(lái)控制電源，從而優(yōu)化整體性能。

在2020年，盡管數(shù)字電源已經(jīng)成為電源工程師工具箱的一部分，但是應(yīng)該記住，使電源更加智能化是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)。我們應(yīng)該表彰為“數(shù)字電源”播種的先驅(qū)們——Trey Burns、N.R. Miller和Chris Henze。

關(guān)于這些發(fā)明家，我想提一個(gè)有趣的事情，那時(shí)電源行業(yè)正在緩慢地考慮使用SG1524 IC從線性電源過(guò)渡到開(kāi)關(guān)電源。Trey Burns研究探索了狀態(tài)軌跡控制法在升壓DC/DC變換器中的應(yīng)用，比較了兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種采用數(shù)字處理器，另一種使用模擬計(jì)算電路。這項(xiàng)研究的結(jié)果在各種會(huì)議上都有介紹，但是PESC 1977卻被認(rèn)為是用數(shù)字方法驅(qū)動(dòng)、監(jiān)控和控制DC/DC轉(zhuǎn)換器和電源的研究的起源。

雖然這個(gè)傳聞?dòng)腥ぃ档米⒁獾氖荰rey Burns當(dāng)時(shí)制造的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品是一個(gè)工作在100Hz開(kāi)關(guān)頻率下的升壓轉(zhuǎn)換器，雖然這現(xiàn)在聽(tīng)起來(lái)很慢，但當(dāng)時(shí)只能那樣，因?yàn)槊總€(gè)樣本執(zhí)行數(shù)字程序需要花費(fèi)450μs的時(shí)間。這個(gè)數(shù)字控制器是一臺(tái)PDP 11/45微型計(jì)算機(jī)，而升壓變換器則由一個(gè)10mH的C型磁芯電感（非常大且很重）和大約13000uF的電容所構(gòu)成，因此，研究小組必須要將這個(gè)電路推到推車(chē)上的電腦上。

繼1977年的PESC之后，電源工程師在如何實(shí)現(xiàn)電源控制數(shù)字化方面取得了很大突破，而1984年和1985年則是數(shù)字電源技術(shù)發(fā)展的第二個(gè)里程碑。

一個(gè)例子是Chris Henze在明尼蘇達(dá)大學(xué)跟隨其導(dǎo)師Ned Mohan攻讀博士學(xué)位時(shí)，他于1985年在法國(guó)圖盧茲的PESC（電力電子專家會(huì)議）上發(fā)表了其作品中的一些關(guān)鍵部分。在該作品中，Chris使用微處理器并以適當(dāng)?shù)念l率控制了當(dāng)時(shí)的一臺(tái)非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。

他在論文中指出了量化以及需要靠抖動(dòng)來(lái)獲取足夠的PWM分辨率等問(wèn)題。Chris Henze所提出的這個(gè)應(yīng)用是基于微處理器從純粹研究到商業(yè)可行應(yīng)用演變的眾多代表之一。

20世紀(jì)90年代末，TI以數(shù)字信號(hào)處理器C2000為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)全數(shù)字控制的UPS。使用DSP對(duì)UPS系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)和電源管理進(jìn)行數(shù)字控制，這是數(shù)字電源的首次實(shí)際應(yīng)用。這項(xiàng)實(shí)際應(yīng)用是旨在優(yōu)化電源數(shù)字控制，擴(kuò)大DSP應(yīng)用范圍的一系列實(shí)驗(yàn)中的第一個(gè)。

隨后的幾年中，半導(dǎo)體制造商推出了許多具有內(nèi)置數(shù)字功能的不同結(jié)構(gòu)的電源控制器。雖然當(dāng)時(shí)有一些現(xiàn)有的I/O通信，但電源設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，電源管理總線（PMBus）的發(fā)布而對(duì)監(jiān)測(cè)和控制電源控制器的命令進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，這是邁向智能電源新水平的重要一步。

面向智能電源的智能儲(chǔ)能

如果可以使用數(shù)字電源技術(shù)以各種可能的方式優(yōu)化電源開(kāi)關(guān)性能并控制電源，那么集成在具有復(fù)雜負(fù)載（例如重復(fù)峰值和再生能量）的嚴(yán)苛行業(yè)中的智能電源系統(tǒng)，則更需要“智能儲(chǔ)能”。

由日本電氣公司（NEC）于1978年首次商業(yè)推出的超級(jí)電容器技術(shù)，在隨后的幾年里取得了令人矚目的進(jìn)步。如今得益于納米技術(shù)，可以在更小的封裝中實(shí)現(xiàn)巨大的容量存儲(chǔ)。

從大型起重機(jī)提升重物時(shí)需要使用大能量，到電動(dòng)汽車(chē)在加速、減速和制動(dòng)時(shí)將能量回存的過(guò)程中幫助提高性能，再到內(nèi)置在便攜式設(shè)備中的微型超級(jí)電容器，當(dāng)談到暫態(tài)能量?jī)?chǔ)存時(shí)，它們都在默默地推動(dòng)智能電源水平的發(fā)展。

將數(shù)字控制和超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，就可以開(kāi)發(fā)出非常先進(jìn)的電源系統(tǒng)（圖1），而能夠動(dòng)態(tài)地管理峰值能源的需求，減少對(duì)電網(wǎng)的影響，并保證重要元器件和工業(yè)設(shè)備的使用壽命更長(zhǎng)久。借助儲(chǔ)存再生能量的能力，還可以對(duì)減少能源消耗做出巨大的貢獻(xiàn)。

圖1：帶數(shù)字控制和通信接口的PRBX S-CAP BOOST超級(jí)電容器組，能夠向負(fù)載提供峰值能量并存儲(chǔ)反向能量。

現(xiàn)在就有了邁向下一步的基礎(chǔ)，即智能電源，而實(shí)現(xiàn)智能工業(yè)。

從智能電源IC到智能工業(yè)

工廠自動(dòng)化通常與從工業(yè)3.0到工業(yè)4.0的過(guò)渡相關(guān)，它包含了各種各樣的電源解決方案。通常用來(lái)為設(shè)備特定部分獨(dú)立供電的電源，其性能已得益于新的技術(shù)，毫無(wú)疑問(wèn)，采用最新一代功率半導(dǎo)體和磁性器件所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源，能夠?qū)⒏嗟碾娔芊庋b到更小的占位空間中。然而，要使工廠實(shí)現(xiàn)真正的“智能”，從而實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化以滿足負(fù)載需求，這還不夠，還需要使用其他技術(shù)。

從貨架到卡車(chē)

如果考慮一個(gè)典型的智能工廠（圖2），在這個(gè)過(guò)程中會(huì)使用許多的系統(tǒng)和子系統(tǒng)來(lái)搬運(yùn)和處理零件和包裹。在每個(gè)步驟，輸送機(jī)和固定或移動(dòng)機(jī)器人從輕載到重載會(huì)處理各種不同類(lèi)型的負(fù)載，每種負(fù)載就需要提供不同的能量。

圖2：帶機(jī)器對(duì)機(jī)器通信的智能工廠中的智能電源運(yùn)作。

智能工廠的概念是從單一的、有貢獻(xiàn)的過(guò)程到整個(gè)過(guò)程的優(yōu)化，從而減少時(shí)間和能源上的消耗。在圖2所示的示例中，其過(guò)程是將包裹從倉(cāng)庫(kù)運(yùn)送到最終的裝運(yùn)點(diǎn)。在這個(gè)過(guò)程中，過(guò)程的一開(kāi)始會(huì)通過(guò)將包裹的體積、重量和特殊信息（例如易碎、請(qǐng)勿倒置）發(fā)送到中央過(guò)程控制器（Hub Process Controller，HPC）的中央數(shù)據(jù)庫(kù)部分而對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記（裸碼或RFID）和標(biāo)識(shí)。從那時(shí)起，從倉(cāng)庫(kù)到運(yùn)輸平臺(tái)的過(guò)程中，每個(gè)站點(diǎn)所需的能量就可以知曉，然后將其從HPC傳輸?shù)教囟ǖ恼军c(diǎn)。

一個(gè)例子是節(jié)能型輸送機(jī)，其是基于一系列由無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶所設(shè)計(jì)。隨著包裹向前移動(dòng)，為直流電機(jī)供電的每個(gè)電源系統(tǒng)（圖3）的能量分布圖，將通過(guò)HPC傳輸?shù)捷斔蛶У奶囟ú糠郑瑥亩谛枰逯的芰繒r(shí)可以對(duì)超級(jí)電容器組進(jìn)行預(yù)充電，或調(diào)整電壓限、電流限等其他參數(shù)。

圖3：PRBX采用微處理器進(jìn)行數(shù)字控制的智能電源，內(nèi)置針對(duì)峰值負(fù)載和反向能量的儲(chǔ)能電容器。

非常先進(jìn)的系統(tǒng)會(huì)利用機(jī)器對(duì)機(jī)器通信。例如，當(dāng)傳送帶上有包裹正在接近裝卸機(jī)器人時(shí)，最后一個(gè)工位會(huì)將能量輪廓數(shù)據(jù)發(fā)送給裝卸機(jī)器人，以便預(yù)設(shè)所有參數(shù)。

在所有這些步驟中，電源構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的一部分，以及與HPC之間的通信鏈路。當(dāng)然，我們所談?wù)摰碾娫聪到y(tǒng)比過(guò)去所用的獨(dú)立版本要復(fù)雜得多。但是工廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員希望電源制造商不僅能打破常規(guī)，還可以使其成為機(jī)器對(duì)機(jī)器網(wǎng)絡(luò)的一部分。

結(jié)論

從一個(gè)控制IC到一個(gè)完整的工廠，智能電源已無(wú)處不在。正如我們過(guò)去所說(shuō)，智能工廠將由充滿好奇和創(chuàng)新的“智能設(shè)計(jì)人員”所設(shè)計(jì)的智能電源所驅(qū)動(dòng)。

作者簡(jiǎn)介

Powerbox公司首席市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)與傳播官帕特里克·勒弗雷（Patrick Le Fèvre）是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的高級(jí)營(yíng)銷(xiāo)人員，同時(shí)是一位具有工學(xué)學(xué)位的工程師，在電力電子領(lǐng)域擁有35年的成功經(jīng)驗(yàn)。他率先開(kāi)拓了數(shù)字電源等新技術(shù)和降低能耗技術(shù)倡議的市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)。勒弗雷撰寫(xiě)并在世界領(lǐng)先的國(guó)際電力電子會(huì)議上發(fā)表了許多白皮書(shū)和文章。它們已在世界各地的媒體上發(fā)表了250多次。他還通過(guò)參加多個(gè)環(huán)境論壇，分享了他在清潔能源方面的專業(yè)知識(shí)。
編輯：hfy