学文网摘要：绿色节能，对电源的智能管理提出了更高的要求，不仅需要电源系统具有更高的转换效率，还需要对电源系统进行动态运行的能效分析和控制，使得电源系统随着各种条件的变化，始终实现高效节能。
关键词：智能；电源管理；智能电网；功率半导体
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.2.001
一切智能化之时，能源管理是否也应该走向智能化？
当人们再谈论各种节能减排，可再生能源、绿色电子技术之时，很容易忽略掉的是，如何通过更好的规划电源使用的不同场景，进行有针对性的调整，以达到更高的电源利用效率，这其实也是一种卓有成效的环保策略。更重要的是，在确保用户体验不受影响的前提下，再谈节能环保才有实际商业的意义，而这种根据工作状态进行运行状态调整的智能管理，前提就是不仅不影响用户体验，反而能满足用户对更高体验的追求的解决方案，而从成本角度上看，虽然前期在硬件和软件方面的支出，并需要更多的维护运营成本，但通过节省了能源消耗和提升系统工作效率与主系统的工作时间角度考量，整体的使用成本其实是有所下降的。所以，智能化能源管理，是未来重要的节能趋势。
大到智能电网，普遍到各种电源控制与模式调整，细微到元器件内部的智能PMU，智能化电源管理正在人们的生活中变得越来越普遍。据Gartner分析，在各种半导体改变能源效率的应用中，智能化能源管理是增加用户体验最行之有效的方式，并且会在未来3-5年内逐渐成为节能降耗最主要的技术趋势。而在智能化电源管理过程中，半导体产品的应用量将是以每年20%的数量递增。
广泛意义上的智能电源管理，是一个完整的软件与硬件相结合的复杂系统，智能电源管理未来发展的重要主题就是高能效。首先要有能够对电源系统进行控制管理以及采集各种工作信息参数的硬件设备，然后通过智能电源系统里面的管理软件，检测各个设备单元的当前参数，如电压、电流、温度、负载变化情况等，然后根据获取的各单元运行参数通过各种通信协议传输，汇总到处理单元进行调度管理，以实现电源系统各单元的有选择性、高能效、高可靠的运行。
随着3G技术的迅猛发展，金融、电信网络的新一代基站和数据中心的建设，也对电源动力系统提出了更高的要求。与此同时，3G技术通信网络大规模普及，集中度越来越高，数据量传输量越来越大，这就要求电源厂商必须加大对创新技术的投入，提高产品的高效节能性能，并通过推出高附加值的产品或解决方案来为用户节约投资成本，同时保障运行的稳定性和高效性，才能充分保障用户体验。系统应用对电源用电量的增加给电源提出了更高的挑战，可靠性、稳定性都需要达到更高的要求。
绿色、模块化、智能化一直是这几年电源动力系统技术创新的重点。绿色要求电源系统以高效率、高功率因数运行，不会对电网造成谐波污染，不对其他设备产生电磁干扰；模块化要求电源提升系统的可靠性；智能化要求电源实现了灵活的故障诊断与保护，确保可靠运行。
在本文中，我们很难关注涉及整个智能电源管理的整个系统，我们仅从半导体产品的角度去探讨智能电源管理系统对半导体产品的需求以及带来的改变。
智能化趋势的挑战
智能化逐渐成为电源管理市场的新趋势，面对智能化的能源和电源管理趋势，电源半导体产品的面临着全新的需求与技术上的挑战。
智能电源日渐盛行，NXP大中华区资深产品营销经理张锡亮认为，这为数字控制系统和数字通信带来诸多机会，包括无线和有线方式。由于系统可以准确知道所需电量并要求供应相应电量，因此智能电源可以节省更多用电。它还带来了组合发展机遇，例如在电源线上进行数据通信。对发电厂而言，更容易获知电源负载 （或需求），从而更易于准备充足的电量。而对于个人和家庭而言，有更多的电源可供智能分配，如太阳能、风力发电和发电厂供电。一些趋势推动着智能电源不断发展：“越来越多的检测和通信方式 （有线及无线） 耗用更低的电量，例如电源上的数据、Zigbee、WIFI等”。
TI中国区业务发展经理程文涛将电源半导体产品在智能化电源系统中应用分为两个方面，一是增加电源和控制系统之间的通讯的智能，这一点以目前服务器电源的发展为代表；二是电源自身优化控制的智能，这一点以TI的UCD3K为代表。当然TI的UCD3K系列产品也包含了与控制系统之间通讯的智能。目前，在网络及通讯领域，对电源本身的监控、调节、保护，以及增加电源的智能以保护昂贵的主芯片等方面的要求越来越普遍，市场需求越来越大。在不增加总体成本的前提下如果要达到这些要求，数字控制的电源，或模拟控制带数字接口的电源成为必需。这已经成为高端电源产品发展的一个共同方向。
智能电源管理技术供应商已不仅仅局限在电源技术本身，同时更多地关注系统信号链的把握和系统的应用。在器件设计角度来看，通过器件带有的特性提升整体工作效率。比如，电源器件通过检测系统的工作状态，如动态调节输出电压来达到效率优化的目的。从工艺角度来看，功率器件工艺的改进是提高效率的关键。ADI公司电源管理部门市场工程师张洁萍的视角比较关注通信接口方面，她认为，智能化电源管理需要对用电设备进行即时监控，包括电流、电压等数值的读取、分析，进而可以对用电设备的关断电、重启进行远程操作，实现用电的科学管理，实现综合节能。因此，在智能化电源领域，PMbus接口已逐步成为电源领域通用的接口方式之一，同时电源产品与主控机之间的通信及监控等功能的集成化也日益增多。高效、节能、环保仍是不变的方向发展，产品小型化，高功率密度也是设计新一代产品的关注点。
在设计挑战方面，创新的技术同样应运而生。提升能效是电源半导体产品持之以恒的要求和趋势。一方面，可以采用创新的电源架构来优化电源在完整负载范围内的能效。另一方面，可以细致分析电源各个可能的功率损耗来源，采取针对性的措施来减小功率损耗，进而提升能效，并配合减小尺寸及提升功率密度。而随着半导体制造工艺及封装技术的进步，智能功率IC及智能功率模块也将是电源半导体产品的重要发展趋势。
例如，安森美半导体电源市场全球销售及营销高级总监郑兆雄介绍了结合型双极/CMOS/DMOS（BCD）技术的出现，使模拟、数字及电源方面的系统设计能够整合在单片衬底上，这就导致智能功率IC诞生。后续的BCD工艺改善了高压隔离、数字特征尺寸（提供更高模拟精度、逻辑速度、密度等）及功率处理能力。现代工艺能够整合数字处理器、RAM/ ROM内存、内嵌式内存及电源驱动器。早期的功率模块在单个封装中整合多个闸流体/整流器，从而提供更高的额定功率。过去三十年来已经获得重大突破。当今的模块将功率半导体与感测、驱动、保护及控制功能结合在一起。它们可分为智能功率模块（IPM）或功率整合模块（PIM）。IPM通常是功率1 kW至30 kW的器件，由功率晶体管/整流器、预驱动器，可能还有控制器组成；PIM并列几个IGBT/整流器，覆盖10 kW到1 MW的额定功率，如***1。
数字电源的契机
数字电源和模拟电源，一直是现在市场上既竞争又合作的两种技术，虽然传统的模拟电源在效率和成本甚至某些性能方面有不可比拟的优势，但是在智能化能源管理系统中，数字电源的可控可编程性显得更适合智能化的电源管理系统。
数字电源是目前电源管理发展的主流方向，主要面向服务器、电信系统、有线/无线数据通讯等工业与医疗设备应用。数字电源具有一定的灵活性，可以针对不同应用方便的调节所需参数，如输出电压、过流点、频率等，对所需的信号实现采集及监控等功能。数字电源将向高集成化、易于调节等方面而努力。对于模拟电源技术，存在一些固有的缺点，比如灵活性、监控性能欠佳，电压精度不及数字电源好等特点，在智能化需求较高的应用场合已逐步被数字电源所取代。张锡亮认为，数字电源和模拟电源将同时并存，但对于大功率应用（如服务器电源） 来说，由于瓦特数更高，目前已开始采用数字电源，其带来更多的益处，有利于数字电源的普及。美高森美公司功率产品部门战略业务发展总监Keith Westrum表明态度，由于数字系统可计算的功率持续增加且成本减少，数字电源管理将会占据主流。
Maxim战略市场应用经理Jon Day认为，先进的数字调制技术具有自动补偿和改善瞬态性能的优势，这从几个方面简化了设计：更高精度的稳压输出、减少元件数量（提高集成密度和可靠性）、降低寄生干扰（包括提高元件容限）。模拟方案在元件成本方面仍然占有一定优势，尽管数字与模拟之间的成本差距日渐缩小。过去，模拟方案（尤指电源控制器）具有更高的可靠性（由于具有更为成熟的设计工艺），现在这一差距已经微乎其微。软件或特定固件（以及相关的设计GUI）对于数字控制架构的开发和应用十分重要。数字架构的自动补偿和预测性负载补偿需要采用更加复杂的算法。此类架构的开发及实施将是区分众多电源管理厂商技术优势的主要依据。
智能化的数字电源，在网络、通信，及中大功率的逆变、调速等复杂系统中，在物料清单、设计灵活性、多模式控制及实现复杂控制理论等方面有着模拟电源无法比拟的优势。因此，这类应用将是数字电源目前需求最旺盛的。而传统的模拟电源，以其已于设计及相对较低的成本，在消费类以的应用 - 例如充电器，适配器，机顶盒，电视等， 以及中小功率的基础设备、工业控制等领域将会被继续采用，并随着市场的增长而增长。智能化的电源管理不仅要求电源本身性能方面的提升，也要求在易用性方面接近模拟电源。因此，程文涛表示，电源半导体厂商设计的电源必须提供易于使用，功能齐全的***形用户界面（GUI）来帮助客户尽快的熟悉电源方案，并将电源半导体的潜力发挥出来。TI为此发展出了Fusion Digital Power Designer，使用户由接触到上手的过程变得非常简洁高效，同时对客户使用中的调试，诊断也提供了极大的便利。这套工具与UCD系列的产品构成了一套完善而先进的功率转换解决方案。
智能电网
智能电网，是智能电源管理的宏观展现，智能电网无论从控制到电表，都需要半导体技术的支持。
Maxim战略市场应用经理David Andeen更关注智能电网中的需求，他指出特别是智能电表设计中，电源器件所面临的挑战是从电力充沛的电源中取电的同时，还要确保高效地利用电能。这就好像住在一条洁净、水源充裕的大河旁，还要时时考虑节水问题。从现阶段看，我们需要并即将看到越来越多的创新技术引入电池供电表计（如：水表和气表），通过高效的能量收集方案替代电池或者仅将电池作为辅助能源，从而极大地延长电池使用寿命。最终，利用超低功耗微控制器实现电能测量和智能表计，将这种简单的传感器嵌入电力线上，仅从电力线上收集非常低的电流即可支持供电。
智能电网的“智能化能源管理”必将对大众化用电人群产生深远影响。从提高效率入手对能源进行管控，积极应对上述挑战，例如：降低高峰用电量、提高配电效率（优化电压/VAR、降低电压跌落），以及采用LED照明等重大革新技术达到节能的目的。同时，电源技术的发展也将持续带动电池供电移动设备的节能变革。那么，两者的结合点在哪里？当两个应用领域的成本、功耗达到相同水平时，即为两者的结合点。这是由市场而非技术驱动的。
对于智能电网应用，高效率AC-DC和高效率DC-AC都是实现理想目标的关键。无论用户安装太阳能发电系统，还是类似于LED灯这样的简单设备，都会用到上述两种转换器。在大规模配电系统中，我们可能会在交流系统中看到微型直流配电站，这在高压大规模电力传输系统以及低压LED家用或建筑照明系统中比较常见。两种情况下，能源的高效转换、电压精度和有源监控都是保证系统可靠性和安全性的关键。
郑兆雄从智能电表的角度来看，如果是三相电表的话，就要求智能电表电源支持更宽的交流电压范围，如从46 V左右到480 V左右，从而提高安全性。此外的一个新要求就是降低智能电表的待机能耗，如将智能电表在未抄表的普通状态下的能耗降到低于2 W。安森美半导体基于NCP1251B电流模式PWM控制器及2SK4177 1，500 V、2 A、13 Ω单N沟道功率MOSFET的低功率智能电表设计就符合这些应用要求，不仅支持70至520 Vac的超宽电压范围，还支持隔离，且待机能耗极低。
TI程文涛则看到，目前智能电网的发展对电源的要求还主要是集中在高效低功耗，及高可靠性方面，对电源本身的智能化要求尚未成为迫切的需求。目前的设计挑战主要是电源要求宽的工作电压以适应不同地区电网电压的波动，同时要求电源本身的功耗极低。