智能电源管理

　　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，如图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，功能齐全的图形用户界面(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。