能為電子系統(tǒng)提供動力的電源模塊介紹

據(jù)說，具有百年歷史的美國電網(wǎng)是地球上最大的互聯(lián)機器。該電網(wǎng)包括超過9,200臺發(fā)電機組，發(fā)電量超過1,000 GW，并連接超過48萬公里的輸電線路。然而，在它的歷史上，這個網(wǎng)格在任何時候都沒有經(jīng)歷如此迅速的變化。

公用事業(yè)公司大力投資“智能電網(wǎng)”，通過降低成本，提高效率，為客戶提供更大的靈活性以及簡化可再生能源的連接，大幅提升能源供應。

實施智能電網(wǎng)需要一系列新技術(shù)，包括電網(wǎng)保護，電能質(zhì)量增強，快速通信，網(wǎng)絡安全和消費者監(jiān)控。這使得這些巨大的機器越來越依賴于支持許多其他領域已經(jīng)經(jīng)歷的技術(shù)革命的電子元件。

本文著眼于電子設計人員為智能電網(wǎng)加快步伐而開放的機遇，然后介紹了主要供應商提供的一系列模塊，這些模塊專門為電子系統(tǒng)提供動力，滿足獨特的挑戰(zhàn)這些新的電力網(wǎng)絡。

電力革命

智能電網(wǎng)革命是由多種因素引發(fā)的，包括消費者對價格上漲的反彈，原始能源成本的增加，放松管制以及來自環(huán)境游說團體的壓力，以限制新的化石燃料發(fā)電站的建設。這種中斷正在將計算機化，數(shù)字通信和雙向能量流引入以前極端保守的行業(yè)，以顯著提升其網(wǎng)絡的性能。

雖然智能電網(wǎng)很復雜，但它可以是分為四個關(guān)鍵領域：基礎設施，通信，計量和可再生能源。

負責將現(xiàn)有基礎設施升級到智能電網(wǎng)狀態(tài)的工程師反過來關(guān)注保護，監(jiān)控和電能質(zhì)量。除了電線和電線桿之外，該基礎設施還包括“配電自動化”資源，配備有傳感器以收集數(shù)據(jù)，向公用事業(yè)公司的網(wǎng)絡運營中心發(fā)送有關(guān)電網(wǎng)狀態(tài)和性能的信息，以允許運營商從中心位置調(diào)整和控制資產(chǎn)。此外，智能電網(wǎng)可自動監(jiān)控，保護和優(yōu)化工業(yè)用戶和國內(nèi)消費者的配電。智能電網(wǎng)的內(nèi)置智能還允許在故障情況下快速自動干預，限制停電持續(xù)時間。

智能電網(wǎng)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡之間的另一個關(guān)鍵區(qū)別是電力在兩個方向上流動，公用事業(yè)公司可以擺脫集中發(fā)電，并鼓勵分布式可再生能源，如風力渦輪機和光伏（PV）面板在國內(nèi)消費者的屋頂上（圖1）。智能電網(wǎng)還可以限制系統(tǒng)損耗，從而提高整體效率并有助于減少碳排放和其他污染物的產(chǎn)生 [1] 。

圖1：智能電網(wǎng)將采用傳統(tǒng)和多樣化的發(fā)電方式。 （由英飛凌提供）

智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)包括電力線通信（PLC），以太網(wǎng)，串行鏈路以及各種無線技術(shù)，包括ZigBee，6LoWPAN和低于1 GHz的連接。

消費者傾向于將智能電網(wǎng)與智能電表相關(guān)聯(lián) - 家庭監(jiān)控設備可以為消費者提供有關(guān)使用趨勢的細粒度數(shù)據(jù) - 允許他們修改消費，例如，利用更便宜的關(guān)稅，并允許公用事業(yè)平滑需求高峰。然而，智能電網(wǎng)計量比家庭，工廠和辦公室以外的各個設備要多得多。高級計量基礎設施（AMI）提供公用事業(yè)自動化計費，遠程連接/斷開單個儀表以及實施需求響應程序所需的雙向通信。 AMI網(wǎng)絡還提供實時監(jiān)控電網(wǎng)運行和立即通知停電的能力，以加速公用事業(yè)公司的響應。

更重要的是，可再生能源是一項重大挑戰(zhàn)，因為發(fā)電超越水電和風電場，再到“微電網(wǎng)”，其中包括從太陽能電池板向電網(wǎng)供電的家庭群。逆變器是負責控制構(gòu)成面板的PV電池和電網(wǎng)之間的電流的關(guān)鍵部件。工程師面臨的挑戰(zhàn)是如何以高效，可靠和具有成本效益的方式實現(xiàn)這一目標 [2] 。

在美國，有10個州 - 包括加利福尼亞州，佛羅里達州，紐約州，賓夕法尼亞州和德克薩斯州 - 正在引領全國部署該國智能電網(wǎng)的努力?？傊@些州已經(jīng)獲得了美國復蘇和再投資法案中用于投資智能電網(wǎng)的45億美元中的19億美元。

這種勢頭將會增加，并且正在推動對這一勢頭的需求。電子產(chǎn)品是許多智能電網(wǎng)系統(tǒng)的基礎。硅供應商通過開發(fā)一系列組件做出了反應，這些組件使電子工程師能夠設計出支持智能電網(wǎng)應用的產(chǎn)品;這些產(chǎn)品中的每一個都需要一個能夠滿足智能配電嚴格要求的電源。

應對停電

除了提高效率外，智能電網(wǎng)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它能夠從閃電，大風或樹枝落下等因素引起的故障中恢復。公用事業(yè)是可以理解的，它可以防止災難性的失敗，例如2003年的東北大停電。這是一次廣泛的停電事故，影響了安大略省，加拿大和美國8個州的4500萬人。有些人兩天都沒有電。

智能電網(wǎng)包含斷路器等保護設備，可在檢測到電流或電壓過大等異常事件時切斷電源。通過確定故障的位置并利用智能電網(wǎng)實現(xiàn)的雙向能量流，公用事業(yè)公司可以隔離發(fā)生故障的配電線路的小部分，同時使用替代線路快速恢復其余部分的電力。網(wǎng)格。

其中許多保護設備依賴于主要半導體公司的電源。例如，德州儀器（TI）提供小型，12 W電源參考設計，為智能電網(wǎng)斷路器中使用的保護繼電器供電（圖2）。

該設計值得注意，因為它能夠處理各種AC和DC輸入（24至250 VDC或88至276 VAC），并提供100 V的15 V，800 mA（12 W）輸出100 mm外形（使電源適用于必須安裝在緊湊型外殼中的保護繼電器）。

圖2：寬輸入 - 德州儀器（TI）保護繼電器的范圍電源參考設計。

電源采用兩級轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，包括圍繞TI TPS40120設計的DC-DC升壓（“升壓”）穩(wěn)壓器電流模式控制器，形成圍繞UCC28740脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器設計的準諧振反激式轉(zhuǎn)換器的輸入。反激式轉(zhuǎn)換器的輸出形成電源的15 V，0.8 A輸出。

實現(xiàn)互操作性

在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)中，基礎設施是孤立運行的，沒有任何收集有關(guān)電網(wǎng)性能或故障原因的信息。智能電網(wǎng)的全面實施要求用智能電子設備（IED）替換這些“啞”設備。除了執(zhí)行必要的電氣任務（例如轉(zhuǎn)換電壓，重定向能量流以及在發(fā)生故障時隔離電網(wǎng)部分）之外，IED還不斷監(jiān)控電壓，電流，電能質(zhì)量以及可能影響電網(wǎng)性能的其他參數(shù)。

此信息在IED之間傳遞（這樣它們可以自動激活以糾正異常網(wǎng)格操作）并返回給操作員（他們可以通過專用通信渠道快速響應需求或中斷的高峰和低谷） 。這些通信渠道提供快速可靠的信息傳輸，依靠有線和無線技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)，以太網(wǎng)，行業(yè)標準和專有協(xié)議。

配電行業(yè)正在努力采用通信標準實現(xiàn)電網(wǎng)的不同要素之間的互操作性。最受歡迎的標準是IEC 61850，它已經(jīng)建立用于變電站的通信。 IEC 61850現(xiàn)在正在從變電站擴展到構(gòu)成智能電網(wǎng)的智能電子設備（IED）。

IEC 61850的優(yōu)勢在于它能夠快速交換數(shù)據(jù)，同時保留信息的原始含義。因此，該標準有望顯著增強智能電網(wǎng)基礎設施之間的通信和協(xié)調(diào)。

IEC 61850網(wǎng)關(guān)構(gòu)成了該通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，TI再次介入設計的芯片使這些產(chǎn)品的電源更容易開發(fā)。網(wǎng)關(guān)可能需要多個電源管理芯片來處理多個AC和DC輸入。圖3顯示了包含24/48 VDC輸入/5 VDC輸出開關(guān)穩(wěn)壓器，230 VAC輸入/5 VDC輸出開關(guān)穩(wěn)壓器和5 VDC輸入/多DC輸出低壓差線性穩(wěn)壓器的電壓轉(zhuǎn)換器示意圖（我愿意）。

圖3：IEC 61850網(wǎng)關(guān)的原理圖說明了多電壓調(diào)節(jié)器的要求。 （德州儀器公司提供）

網(wǎng)關(guān)電源的另一種選擇是電源管理IC（PMIC），如TI TPS69510。 PMIC可接受5 V鋰離子電池供電，并提供三個降壓（“降壓”）轉(zhuǎn)換器，一個升壓轉(zhuǎn)換器和八個LDO，旨在支持基于OMAP的應用的特定電源要求。

八個通用LDO為基于OMAP的處理器供電，為系統(tǒng)中的其他設備供電，并為需要這些存儲器的應用中的DDR存儲器供電供電。

管理消耗

當公用事業(yè)維修人員到達他們的家中用智能裝置取代陳舊的儀表時，消費者會熟悉智能電網(wǎng)的概念。根據(jù)美國能源情報署（EIA）的數(shù)據(jù)，截至2013年（最近一年有數(shù)據(jù)），美國電力公司安裝了51,924,502個智能電表，其中89％用于住宅客戶安裝。

智能電表不僅僅是可以遠程查詢的監(jiān)控單元。這些智能設備的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是提供信息，允許公用事業(yè)和消費者管理供需。公用事業(yè)公司能夠利用這些信息精確地確定需求高峰，并為類似的未來峰值保留發(fā)電量。公用事業(yè)公司還可以設定“動態(tài)”關(guān)稅，反映任何特定時間的發(fā)電和配電成本（和碳含量），或獎勵消費者在可再生能源產(chǎn)生大量電力時使用電力。

<消費者甚至可以選擇允許電網(wǎng)運營商自動開啟和關(guān)閉電器的套餐，以幫助維持供需之間幾乎每秒的平衡。

智能電表的缺點是他們“永遠在線”的要求。每個單位消耗相對較少的電流，但數(shù)百萬的綜合影響是顯著的。硅片供應商通過削減其高壓電源解決方案的靜態(tài)電流來應對這些永遠在線的非隔離系統(tǒng)，用于智能電表等應用。

多家制造商提供交流 - 直流穩(wěn)壓器，可滿足智能電表的嚴苛要求。例如，意法半導體提供電源模塊VIPER06，可在85 V至265 VAC輸入電壓下工作，并具有800 V功率金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。該芯片可輸出高達8 W的電流，但靜態(tài)電流僅為幾百微安。

就其本身而言，TI最近推出了UCC28880，這是一款用于智能電表應用的AC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器。 UCC28880將控制器和700 V功率MOSFET集成到一個器件中。該芯片還集成了高壓電流源，可直接從整流電源電壓啟動和運行。

器件的靜態(tài)電流小于100μA，提高了解決方案的效率。 TI表示，通過使用UCC28880，工程師可以使用最少數(shù)量的外部元件設計最常見的穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構(gòu)。

公用事業(yè)公司還將“集中器”作為其智能計量系統(tǒng)的一部分。集中器從一組智能儀表（例如，單個公寓樓中的那些儀表）收集信息，并在將數(shù)據(jù)無線傳輸或通過電力線調(diào)制解調(diào)器傳輸?shù)焦迷O施之前匯總和分析數(shù)據(jù)。集中器還可用于將信息從中央控制設備發(fā)送回智能電表組，并促進維護功能，如軟件更新。

除了為智能電表提供電源模塊外，意法半導體還滿足集中器的功率要求。集中器的功率要求與智能電表的功率要求相似，但由于該設備進行了額外的計算，因此要求更高一些。

意法半導體推出Altair 04-900交流 - 直流開關(guān)穩(wěn)壓器集中器應用。它基于準諧振反激式拓撲結(jié)構(gòu)，能夠通過電源輸入工作，并具有900 V擊穿功率級。 Altair具有低待機功耗（約1 mA）和過流保護，可防止變壓器飽和和二次二極管短路。該公司還為智能計量應用提供電源參考設計，部件號為STEVAL-ISA105V1（圖4）。

圖4： STMicroelectronics電源參考設計，適用于智能計量應用。

巨額獎勵

在美國和其他發(fā)達國家，通過計算機化和通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)十年的電力基礎設施現(xiàn)代化巨大的任務。這項工作的成本將達到數(shù)十億美元，甚至不會因為網(wǎng)格部分升級而導致客戶中斷。

然而，獎勵很棒。智能電網(wǎng)將通過減少系統(tǒng)損失來大幅提高電力系統(tǒng)的效率，使其更容易切換到可再生能源（從而減少對“基本負荷”的需求 - 化石燃料發(fā)電能力必須保持永久運行以應對預期的峰值），并使公用事業(yè)鼓勵消費者通過靈活的關(guān)稅減少消費。可再生能源的更高效率和更大貢獻也有助于當局履行減少碳排放的承諾。

智能電網(wǎng)還可以通過允許運營商快速隔離故障并在問題得到糾正的同時將電力重新路由到盡可能多的消費者來限制因停電造成的中斷。

智能電網(wǎng)的成功將嚴重依賴關(guān)于新型硅和創(chuàng)新設計工程師;而這些產(chǎn)品將依賴于滿足智能電網(wǎng)應用特殊要求的專用電源模塊，如寬輸入電壓范圍和低靜態(tài)電流。好消息是，已有許多商業(yè)化的集成解決方案可供希望從這個利潤豐厚的市場領域中分得一杯羹的工程師使用。