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让智慧电源成为现实!

时间:2021-02-20 作者: Patrick Le Fèvre,Powerbox 阅读:
和许多其他定义一样,“智能电源”已经成为一个热门词汇,但有时很难理解“智能”的含义,换一种说法,就是对最终用户有什么好处。很难确定“智能电源”何时流行,但是今天,从电源控制IC到全自动化工厂,“智能电源”已无处不在,而随着工业4.0 (Industry 4.0)不断发展,其作为主要技术的地位也得到了确立。
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和许多其他定义一样,"智能电源"(Smart Power)已经成为一个热门词汇,但有时很难理解"智能"的含义,换一种说法,就是对最终用户有什么好处。很难确定“智能电源”何时流行,但是今天,从电源控制IC到全自动化工厂,“智能电源”已无处不在,而随着工业4.0 (Industry 4.0)不断发展,其作为主要技术的地位也得到了确立。

智能电源的起源

如果以脉冲宽度调变(PWM)为先驱,则可说“智能电源”诞生于1976年。当时Silicon General推出了著名的PWM SG1524芯片。但对我们之间的许多人来说,则是在90年代中期,半导体产业透过对电源控制IC中增加更多功能才突破了芯片的发展界限。

Nihal Kulartna在其1998年出版的《Power electronics design handbook low-power components and application》(电力电子设计手册:低功耗组件及应用)一书中认为,“智能电源”一词与提高芯片级功能等级、减少电源控制器所需周围组件数量、简化设计和减少客户电路板上所需空间更具相关性。在那时,我们把添加到单一芯片中的其他功能命名为驱动电路、热保护、过压和欠压保护、电流限制和诊断。

90年代末,为了减少空间和成本,汽车和消费性电子产业对功能提出高整合度的要求,而为了满足这些产业对环境和成本的苛刻要求,智能电源控制器应运而生。

尽管在半导体产业内,“智能电源”的定义可能已经很清晰了,但是在电源业界,有关“智能电源”的讨论和辩论仍然非常激烈,特别是当所谓的“数字电源”这种新技术也成为广泛讨论的主题时。Nihal Kulartna圆融地得出结论,“智能电源”一词的使用是出于习惯上的原因而非技术上的原因,现在情况仍然如此。

当数字技术使电源更智能化时

对于21世纪的电力电子设计人员来说,“智能电源”从数字电源的实现开始,带来了一个新的发展方向,即可以透过使用微控制器(MCU)和软件以“智能”的方式来控制电源,从而优化整体性能。

在2020年,尽管数字电源已经成为电源工程师工具箱的一部分,但是应该记住,使电源更加智能化是一项长期的任务。我们应该表彰为“数字电源”播种的先驱们——Trey Burns、N.R. Miller和Chris Henze。

关于这些发明家,我想提一个有趣的事情,那时电源产业正在缓慢地考虑使用SG1524 IC,以从线性电源过渡到开关电源。Trey Burns研究探索了状态轨迹控制法(State-Trajectory Control Law)在升压DC/DC转换器中的应用,比较了两种实现方法:一种采用数字处理器,另一种使用模拟运算电路。这项研究的结果在各种会议上都有介绍,但是PESC 1977却被认为是用数字方法驱动、监控和控制DC/DC转换器和电源的研究起源。

虽然这个传闻很有趣,但值得注意的是,Burns当时制造的实验产品是一个工作在100Hz开关频率下的升压转换器,虽然这个转换器对现在来说很慢,但当时只能那样,因为每个样本执行数字程序需要花费450μs的时间。这个数字控制器是一台PDP 11/45迷你计算机,而升压转换器则由一个10mH的C型磁芯电感(非常大且很重)和大约13,000μF的电容所构成,因此,研究小组必须要将这个电路推到推车上的计算机上。

继1977年的PESC之后,电源工程师在如何实现电源控制数字化方面取得了很大突破,而1984年和1985年则是数字电源技术发展的第二个里程碑。

一个例子是Chris Henze在明尼苏达大学(University of Minnesota)Ned Mohan的指导下攻读博士学位时,于1985年在法国Toulouse的PESC上发表了其研究中的一些关键部分。在该研究中,Henze使用微处理器并以适当的频率控制当时的一台非隔离式DC/DC转换器。

他在论文中指出了量化,以及需要靠抖动来获取足够的PWM分辨率等问题。Henze所提出的这个应用是基于微处理器从纯粹研究到商业可行应用演变的众多代表之一。

20世纪90年代末,TI以数字信号处理器(DSP) C2000为基础,开发了第一台全数字控制的UPS。使用DSP对UPS系统的开关和电源管理进行数字控制,这是数字电源的首次实际应用。这项实际应用是旨在优化电源数字控制,扩大DSP应用范围的一系列实验中的第一个。

随后的几年中,半导体制造商推出了许多具有内置数字功能的不同结构电源控制器。虽然当时有一些现有的I/O通讯,但电源设计人员认为,电源管理总线(PMBus)发布而对监测和控制电源控制器的命令进行标准化,这是迈向智能电源新程度的重要一步。

为智能电源打造的智能储能

如果可以使用数字电源技术以各种可能的方式优化电源开关性能并控制电源,那么整合在具有复杂负载(例如重复峰值和再生能量)的严苛产业中的智能电源系统,则更需要“智能储能”。

由NEC在1978年首次商业推出的超级电容技术,在随后的几年里取得了令人瞩目的进步。如今得益于奈米技术,可以在更小的封装中实现巨大的储存容量。

从大型起重机举起重物时需要使用大能量,到电动车在加速、减速和煞车时将能量回存的过程中帮助提高性能,再到内置在便携设备中的微型超级电容,当谈到瞬时能量储存时,它们都在默默地推动智能电源新的阶段发展。

将数字控制和超级电容的优势结合起来,就可以开发出非常先进的电源系统(图1),而能够动态地管理峰值能源的需求,减少对电网的影响,并保证重要组件和工业设备的使用寿命更长久。借助储存再生能量的能力,还可以对减少能源消耗做出巨大的贡献。

图1 具数字控制和通讯接口的PRBX S-CAP BOOST超级电容组,能够向负载提供峰值能量并储存反向能量。

现在就有了迈向下一步的基础,即针对智能工业的智能电源。

从智能电源IC到智能工业

工厂自动化通常和从工业3.0到工业4.0的过渡相关,它包含了各种各样的电源解决方案。通常用来为设备特定部分独立供电的电源,其性能已得益于新的技术。毫无疑问,采用最新一代功率半导体和磁性组件所设计的数字电源,能够将更多的电能封装到更小的占位空间中。

然而,要使工厂实现真正的“智能”,从而实现能耗优化以满足负载需求,这还不够,还需要使用其他技术。

从货架到卡车

如果考虑一个典型的智能工厂(图2),在这个过程中会使用许多的系统和子系统来搬运和处理零件和包裹。在每个步骤,输送机和固定或移动机器人从轻载到重载会处理各种不同类型的负载,每种负载就需要提供不同的能量。

图2 具备机器对机器通讯的智能工厂中智能电源运作。

智能工厂的概念是从单一、有贡献的过程到整个过程的优化,从而减少时间和能源上的消耗。在图2所示的范例中,其过程是将包裹从仓库运送到最终的装运点。在这个过程中,过程的一开始会透过将包裹的体积、重量和特殊信息(例如易碎、请勿倒置)发送到中央过程控制器(Hub Process Controller,HPC)的中央数据库部分而对其进行标记(条形码或RFID)和标识。从那时起,从仓库到运输平台的过程中,每个网站所需的能量就可以知晓,然后将其从HPC传输到特定的网站。

一个例子是节能型输送机,其是基于一系列由无刷直流马达驱动的皮带所设计。随着包裹向前移动,为直流马达供电的每个电源系统(图3)的能量分布图,将透过HPC传输到输送带的特定部分,从而在需要峰值能量时可以对超级电容组进行预充电,或调整电压限制、电流限制等其他参数。

图3 PRBX采用微处理器进行数字控制的智能电源,内置针对峰值负载和反向能量的储能电容。

非常先进的系统会利用机器对机器(M2M)通讯。例如,当传送带上有包裹正在接近装卸机器人时,最后一个工位会将能量轮廓数据发送给装卸机器人,以便预设所有参数。

在所有这些步骤中,电源构成了生态系统的一部分,以及与HPC之间的通讯链路。当然,我们所谈论的电源系统比过去所用的独立版本要复杂得多。但是工厂自动化设计人员希望电源制造商不仅能打破常规,还可以使其成为机器对机器网络的一部分。

结论

从一个控制IC到一个完整的工厂,智能电源已无所不在。正如我们过去所说,智能工厂将由充满好奇和创新的“能设计人员”计的智能电源所驱动。

责编:Yvonne Geng

(参考原文:Making smart power a reality!,by Patrick Le Fèvre)

本文同步刊登于EDN Taiwan 2021年2月刊杂志

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