與許多其他定義一樣，“智能電源”已成為營(yíng)銷流行語，有時(shí)很難理解“智能”部分的含義?；蛘邠Q一種說法——對(duì)最終用戶有什么好處。智能電源何時(shí)成為潮流可能同樣難以確定，但今天，從電源控制器 IC 到全自動(dòng)工廠，智能電源無處不在，隨著工業(yè) 4.0 的不斷發(fā)展，它作為主導(dǎo)技術(shù)的地位得到了保證。

智能電源的由來

如果說PWM的先驅(qū)，“Smart Power”誕生于1976年Silicon General推出著名的Pulse Width Modulator SG1524芯片。但對(duì)我們中的許多人來說，這是在 90 年代中期，半導(dǎo)體行業(yè)通過向電源控制集成電路添加更多功能來推動(dòng)硅的邊界。

Nihal Kulartna 在 1998 年出版的《電力電子設(shè)計(jì)手冊(cè)低功耗元件和應(yīng)用》一書中認(rèn)為，在提高芯片級(jí)功能水平、減少電源控制器所需的周圍元件數(shù)量時(shí)，術(shù)語“智能電源”更相關(guān)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并減少客戶板上所需的空間量。在當(dāng)時(shí)添加到單個(gè)芯片的附加功能中，我們可以命名驅(qū)動(dòng)電路、熱保護(hù)、過壓和欠壓保護(hù)、電流限制和診斷。

圖 1：具有數(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

九十年代后期，開發(fā)了許多智能電源控制器，以滿足汽車和消費(fèi)電子行業(yè)對(duì)環(huán)境和成本的苛刻要求，需要高度集成的功能水平以減少空間和成本。

盡管在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)，智能電源的定義可能已經(jīng)很明顯，但在電源界內(nèi)，關(guān)于“智能電源”的討論和爭(zhēng)論仍在激烈進(jìn)行，尤其是當(dāng)一項(xiàng)新技術(shù)出現(xiàn)時(shí)，所謂的“數(shù)字電源”也是許多討論的主題. 在外交上，Nihal Kulartna 得出的結(jié)論是，“智能電源”一詞是出于制度而非技術(shù)原因使用的，現(xiàn)在仍然如此。

當(dāng)數(shù)字使電源更智能時(shí)！

對(duì)于 21 世紀(jì)的電力電子設(shè)計(jì)人員來說，“智能電源”始于數(shù)字電源的實(shí)施，帶來了一個(gè)新維度，即通過以“智能”方式使用微控制器和軟件來控制電源以優(yōu)化整體性能.

盡管在 2020 年，數(shù)字電源已成為電源工程師工具箱的一部分，但我們應(yīng)該記住，使電源更智能是一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)，我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到為“數(shù)字電源”埋下種子的先驅(qū)，包括 Trey Burns、NR Miller 和克里斯·亨澤。

關(guān)于這些發(fā)明者，我想提到一個(gè)有趣的事件，當(dāng)時(shí)電力行業(yè)正在慢慢考慮使用 SG1524 IC 從線性電源遷移到開關(guān)電源。Trey Burns 研究并探索了狀態(tài)軌跡控制定律在升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用，他比較了兩種實(shí)現(xiàn)方法，一種使用數(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)議上發(fā)表，但 PESC 1977 被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)、監(jiān)測(cè)和控制 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和電源的數(shù)字方法研究浪潮的起源。

現(xiàn)在有一個(gè)軼事，但仍然有趣的是，Trey Burs 構(gòu)建的一個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品是一個(gè)工作在 100Hz 開關(guān)頻率的升壓轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在聽起來很慢，但它必須如此，因?yàn)閳?zhí)行每個(gè)樣本的數(shù)字程序最多需要 450 微秒。數(shù)字控制器是 PDP 11/45 微型計(jì)算機(jī)，升壓轉(zhuǎn)換器使用 10mH cut-C 核心電感器（非常大和重）和大約 13,000μF 的電容構(gòu)建。研究小組將電路推到推車上的計(jì)算機(jī)上。

繼 PESC 1977 之后，電源工程師在如何實(shí)現(xiàn)電源控制數(shù)字化方面取得了大量進(jìn)展，1984 年和 1985 年是數(shù)字電源技術(shù)演進(jìn)的第二個(gè)基石。

一個(gè)例子是 Chris Henze 在 Ned Mohan 的指導(dǎo)下在明尼蘇達(dá)大學(xué)攻讀博士學(xué)位。Chris 于 1985 年在圖盧茲的 PESC 發(fā)表了他工作的一些有趣的部分。在這項(xiàng)工作中，Chris 使用微處理器并以合理的頻率切換那個(gè)時(shí)代的非隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

在他的論文中，他確定了量化等問題，以及需要抖動(dòng)以獲得足夠的 PWM 分辨率。Chris Henze 提出的應(yīng)用程序是代表從純研究到基于微處理器的商業(yè)可行應(yīng)用程序的演變的眾多應(yīng)用程序之一。

1990 年代后期，TI 以數(shù)字信號(hào)處理器 C2000 為基礎(chǔ)，開發(fā)出第一臺(tái)全數(shù)字控制的 UPS。使用 DSP 以數(shù)字方式控制 UPS 系統(tǒng)的開關(guān)和電源管理是數(shù)字電源的第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用。這一實(shí)際應(yīng)用是旨在優(yōu)化電源數(shù)字控制、擴(kuò)大 DSP 機(jī)會(huì)范圍的一系列長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)中的第一個(gè)。

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圖 2：具有機(jī)器對(duì)機(jī)器通信的智能工廠中的智能電源操作

在接下來的幾年中，半導(dǎo)體制造商推出了許多具有不同架構(gòu)的內(nèi)置數(shù)字功能的電源控制器。盡管存在一些現(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) 的推出，將監(jiān)控和控制電源控制器的命令標(biāo)準(zhǔn)化，是邁向智能電源新水平的重要一步。

智能能源的智能儲(chǔ)能

如果數(shù)字電源技術(shù)可以優(yōu)化電源開關(guān)性能并以各種可能的方式控制電源，那么在具有復(fù)雜負(fù)載（例如重復(fù)峰值和再生能源）的苛刻行業(yè)中集成的智能電源系統(tǒng)的需求不斷增長(zhǎng)，需要“智能儲(chǔ)能”。

超級(jí)電容器技術(shù)于 1978 年首次由日本電氣公司商業(yè)推出，在接下來的幾年中取得了令人矚目的進(jìn)步，如今受益于納米技術(shù)，可以在更小的封裝中創(chuàng)建大容量存儲(chǔ)。

從在提升重物時(shí)需要高能量水平的大型起重機(jī)，在電動(dòng)汽車中幫助提高加速時(shí)的性能并在減速和制動(dòng)時(shí)儲(chǔ)存能量，到便攜式設(shè)備中內(nèi)置的微型超級(jí)電容器，它們都在默默地為智能電源的新水平做出貢獻(xiàn)當(dāng)瞬態(tài)儲(chǔ)能進(jìn)入回路時(shí)。

結(jié)合數(shù)字控制和超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)，可以開發(fā)非常先進(jìn)的電力系統(tǒng)（圖 01），能夠動(dòng)態(tài)管理峰值能源需求，減少對(duì)電網(wǎng)的影響，并保證戰(zhàn)略組件和工業(yè)設(shè)備的使用壽命更長(zhǎng). 通過具有存儲(chǔ)再生能量的能力，這也是降低能耗的一個(gè)非常重要的因素。

我們現(xiàn)在有了邁向下一步的基礎(chǔ)，即智能行業(yè)的智能電源。

從智能電源IC到智能工業(yè)

通常與工業(yè) 3.0 向工業(yè) 4.0 的遷移相關(guān)聯(lián)，工廠自動(dòng)化包含種類繁多的電源解決方案。通常獨(dú)立的、為特定設(shè)備供電的電源性能受益于新技術(shù)，毫無疑問，與最新一代功率半導(dǎo)體和磁性元件相關(guān)的數(shù)字電源使得將更多功率封裝到更小的占地面積成為可能。然而，要使工廠真正“智能”，從而優(yōu)化能源消耗以滿足負(fù)載需求，這還不夠，還需要額外的技術(shù)。

從貨架到卡車

如果我們考慮一個(gè)典型的智能工廠（圖 02），在此過程中會(huì)使用許多系統(tǒng)和子系統(tǒng)來搬運(yùn)和處理零件和包裹。在每一步，傳送帶和固定或移動(dòng)機(jī)器人將處理不同類型的負(fù)載，從輕到重，每種負(fù)載都需要不同的能量。

智能工廠的概念是從單一的、有貢獻(xiàn)的過程優(yōu)化到整體的過程，以減少時(shí)間和能源消耗。在圖 02 中的示例中，流程是將包裹從倉庫運(yùn)送到最終運(yùn)輸點(diǎn)。在該過程中，包裹被標(biāo)記（裸碼或 RF ID）并在過程開始時(shí)通過將體積、重量和特殊處理信息（例如易碎、不可翻轉(zhuǎn)）發(fā)送到集線器過程控制器 (HPC) 的中央數(shù)據(jù)庫部分進(jìn)行識(shí)別）。從那時(shí)起，在從倉庫到運(yùn)輸平臺(tái)的過程中，每個(gè)站點(diǎn)所需的能量都將被知曉，并從 HPC 傳送到特定站點(diǎn)。

一個(gè)例子是能量?jī)?yōu)化的輸送機(jī)，它基于一系列由無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶。隨著包裹向前移動(dòng)，為直流電機(jī)供電的每個(gè)電力系統(tǒng)（圖 03）的能量分布將由 HPC 傳送到輸送機(jī)的特定部分，從而可以在需要峰值能量時(shí)對(duì)超級(jí)電容器組進(jìn)行預(yù)充電，或調(diào)整其他參數(shù)，如電壓、電流限制。

非常先進(jìn)的系統(tǒng)利用機(jī)器對(duì)機(jī)器的通信，例如，當(dāng)包裹接近傳送帶上的搬運(yùn)機(jī)器人時(shí)，最后一個(gè)站將能量分布數(shù)據(jù)發(fā)送到搬運(yùn)機(jī)器人以提前預(yù)設(shè)所有參數(shù)。

在所有這些步驟中，電源構(gòu)成了與 HPC 的生態(tài)系統(tǒng)和通信鏈接的一部分。當(dāng)然，我們談?wù)摰氖潜任覀冞^去習(xí)慣的獨(dú)立版本復(fù)雜得多的電力系統(tǒng)。但是工廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員希望電源制造商不僅要開箱即用，而且要使他們成為機(jī)器對(duì)機(jī)器網(wǎng)絡(luò)的一部分。

綜上所述

從控制 IC 到完整的工廠，智能電源無處不在，正如我們過去所說，智能工廠將由充滿好奇心和創(chuàng)新精神的“智能設(shè)計(jì)師”設(shè)計(jì)的智能電源供電。

審核編輯 黃昊宇

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