我们都习惯使用移动设备,但是总是抱怨电池容量,但我们应该记住,这些设备已经从携带语音转换到携带大数据,它们要求处理器的执行脉冲频率非常高,这就需要大量的电源。考虑到电源在移动设备有限的电池容量,直到新技术出现(如燃料电池),容量可能会翻十倍或者更多,目前保证客户在最长的时间内效率达到最高的唯一的途径是用非常有效的方式管理可用电源。

这就是电源管理成为艺术的地方。

作为工程师,我们都理解移动设备的可用性和电池容量之间的关系.。我们也意识到,我们的社会面临的挑战,如气候变化和必须减少能源消耗,这在一定程度上将有助于减少碳排放。

我们电力工程师怎样作出贡献,我们应该考虑哪些技术?

当元器件的改进不足够时

正如在介绍中提到的,电子元器件非常重要,它对能源效率的提高和新技术的引进, 以及减少能源消耗做出了非常重要的贡献。从肖特基二极管,然后是MOSFET和最近的氮化镓、碳化硅,电源性能经过几次跳跃式的发展已达到物理极限,很难再超越, 但也不是不可能的(图1)。

001ednc20170324power 图1:200W DC/DC 转换器功耗图

与元器件演变同步,在70年代中期,电源工程师Trey Burns、N.R. Miller、Chris Henze等人,研究了如何对电源转换进行数字化。在电源行业,PESC 1977的出现被认为是数字控制在电源行业应用的开端, 虽然由于计算能力不足限制了充分发展,数字化仍然提供了无限的可能性。在随后的多次实验之后,到九十年代后期,随着TI 的数字信号处理器(DSP)C2000在商业上的应用,给电源行业实现电力系统的数字化处理和整合成一个数字控制的不间断电源提供了可能性。

第一个应用是令人印象深刻的,它演示了数字控制电源的可能性以及它的效率,在电源行业来说,这是个重要的里程碑,并且在2014年,为电源开发了一款通信协议,PMBus,电源行业进入一个新时代。

在过去的10年中,元器件和电源制造商已经生产了数量惊人的基于数字电力技术的产品;从负载到数据处理中心的技术都有助于减少能源消耗,以及降低功耗,提高可靠性和降低总成本。

** 一些例子 **

DPFC – 在AC/DC应用领域,很多有源功率因数校正(PFC)是数字控制的(DPFC),实时优化性能。考虑线路干扰、环境、负载变动和其他参数的变化,DPFC参数可以动态调整,使得电源参数始终保持最佳状态。除了使得电源功效最高,DPFC可以向系统传递信息或向现场主管汇报工作状态,它在远程的应用案例中,有助于早期诊断问题,减少停机时间。

DC/DC – 数字控制对电源的开关部分也提供了帮助,比如优化死时间和占空比,当负载低于一定临界值时降低功耗(10%到25%取决于功率和应用),在低模式的操作条件下传统的技术很难优化开关部分。数字控制操作类似于有三四个不同的电源转换器,优化某些类型的负载(低-中-高),每个优化它自己的操作区域。图2显示了具有类似的输出功率两个DC/DC转换器的对比。模拟产品在最大负载下进行优化使得拥有高性能,负载降低时性能降低。数字控制采用类似于前面描述的技术,一个功率转换器拥有三个配置,调整操作参数适合负载条件。

002ednc20170324power 图 2:两个拥有类似输出功率的DC/DC转换器对比图。模拟产品在最大负载下进行优化使得拥有高性能,负载降低时性能降低

总线电压 – 无论是在工业上,信息和通信技术,工业部门,交通,医疗或国防,通用中间母线电压。据以往经验看, 涉及到硬盘,风扇和开关有关的电源都是默认使用12V电压,事实上的大多数应用程序都采用此电压。在以前如果当电压降低到5V可用,当给处理器供电1V时,12V就显得作用不大,这就产生不必要的损失,特别是在低负载运行时。

在2005年,系统架构师开始探索从8V至13V不同的电压,考虑调整母线电压到合适的负载条件。基于经验的做法是DC /DC转换器的输出电压采用电子电位器控制;由外部电源调整母线电压信号。这种实验推断出的能源节约大概3%至5%,但实现这种拓扑结构是很复杂的,在商业上很难推行。

在2010年,随着数字电源和PMBus介绍,系统工程师对2005年的实验重新审核,探索后发现用现在的方法来调整母线电压适应负载条件。该技术被称为动态总线电压(DBV),开始出现在多媒体电源的应用中(如微型无线电广播),节能高达10%。DBV是第一个结合了数字控制电源(AC/DC 或 DC/DC)和能源管理软件,优化了电源功率分布。

电源处理器 – 微处理器、FPGA、ASIC需要非常稳定的电压,芯片电压往往低于1伏。多年来,处理器厂商拥有一个电压识别系统(VID),此系统是基于一个向上、向下的电阻来调节芯片的电压来满足需求。这种技术需要外部电阻器工作了十年,当考虑新的应用程序和其他类型的处理器时很不灵活。通过软件控制趋于简单化,在与处理器行业的紧密合作中,稳压器制造商研发出一个新的概念,这就是众所周知的自适应电压缩放。处理器和电压调节器变得密不可分,处理器能够通过软件调整得到他所需要的电压。为了让此技术适应现有的标准,2014年3月,PMBus组织更新了标准1.3,包括自适应电压缩放协议(标准2015年3月更新为1.3.1)。AVS是一项新技术并没有广泛应用但是前途很光明,尤其是在新的应用中,比如物联网(IoT)。

电源管理2.0–随着新的应用比如物联网的出现,伴随着减少能源消耗的压力;系统架构师意识到开发一款管理电源的软件不是不可能,能够解决从每一个点到一个单一的板。起初它似乎是乌托邦,但是经过三年的试验,今年年初,软件决定电源架构的概念(SDPA)出现并开始传播到整个电力行业。

综合了自适应电压缩放,动态总线电压,优化开关电源,智能睡眠模式和附属的技术,使用数字电源可以减少能源消耗,这是非常重要的。目前来说公布成绩为时尚早,但是可以看到移动设备已经多么智能,未探索的区域已经有数字电源,SDPA可以视为一个新的重担改变电源管理和设计方式。

当数字电源遇到物联网

有些人一直争论“数字电源”是一个通用术语,它涵盖了很大的应用范围,我完全同意。在开拓了PESC1977之后差多不40年里,数字电源管理和控制的应用已经无处不在,从有效地管理手机电池配置到为世界提供大数据的数据中心,以及在数以千计的功率转换要求领域应用都非常广泛。

一个例子是物联网,它是一个热门话题,这个应用领域将需要非常高效和灵活的电源解决方案。我们知道,许多物联网设备仍有待发明,但我们知道的是,这些产品将需要电源,最有可能的电力系统采用片式封装,这是另一个领域,数字电源与嵌入式软件结合变得非常优秀。优先考虑给电力物联网开发高效和经济的设备,重要的是大量的专家一起合作,将这种类型的产品提供给预计在未来五年内出现的数十亿个连接设备。

为了解决这一需求,2015年10月,IEEE已经形成了IEEE P2415™统一硬件抽象层工作组和IEEE P2416™电源建模元标准工作组。这两个工作组将起草标准,旨在支持更强大和更经济的电子产品的发展。

作为系统工程师,考虑将软件定义电源架构作为实现更高的能效的一个重要组成部分,功率监控的软件是硅制造商和芯片电源技术解决物联网和未开发的新应用的基石。

结论

就如本文所讲的,从PBSC1977到2015年10月IEEE组织建立的工作组,电源管理和数字电源已经走过了很长的路。电源工程师和系统设计人员对软件层寄予了很高的期望,我们预计这将有助于降低能源消耗。物联网和所有新的应用需要智能电源管理,它正在探索一系列惊人的新技术,这对电源设计师是非常有吸引力。

未来的电源是简单和能效非常高的,这是电源设计师和软件定义的电源结构的信条。