TI公司供稿 如今，無論是發電、轉換和配電還是電流的儲存與使用，半導體對于打造高效能源生態系統的貢獻越來越大。事實上，到2030年，在美國將有80%的能量流通過半導體器件進行傳輸。 在能源和電源管理領域，“智能化”這一前綴在很久之前就已經被頻繁使用，例如含義寬泛的智能電網和智能逆變器等。在用于可替代能源、針對固態變壓器的新一代電子、智能電表和很多其它電源應用的普遍電子元器件中，“智能化”的增長趨勢也隨處可見。 智能電源在過去的20年中不斷演變。它最初是指一個電源芯片能夠自動地進行操作，以應對所出現的任何情況。而現在，它意味著電源芯片或模塊具有更高的智能化程度，并且具備更多“感測、評估和操作”的能力。 也許您已經注意到，目前的充電器不但尺寸越來越小，而且越來越智能。在不影響電池使用壽命的情況下，它擁有了更快的充電速度和更高的效率，同時能夠在不同的系統需求下提供最優的功率，并且在不充電時自動關閉。 現代電源管理IC間的通信能夠識別運行負載和運行模式，通過自動調節參數來提供最佳的操作性能并部署先進的信號處理算法。這一點與那些在隔離環境下為其余系統提供可靠電壓和電流的傳統電源模塊有顯著區別。 智能電源的發展影響巨大，下面就讓我們來了解一下值得注意的幾個類別和實例。 集中電源 集中電源IC和模塊能夠感知其它模塊與總體系統的需求，因此智能化水平也越來越高。在服務器或基站等目前的系統中，很多電源IC和模塊間不僅可以互相通信，還能與系統的其余部分進行通信，以提升各個子系統的電力傳輸效率。可靠功率轉換的重要性意味著實時遙感監測、控制、感測以及功率循環，而所有的這一切都需要通信功能的支持。諸如電源管理總線 (PMBus) 的數字通信接口以及系統管理總線 (SMBus) 和I2C等某些其它協議已經被采用和部署，以便將功率轉換模塊與總體智能系統控制融合起來。以太網供電 (PoE)、USB Type C和無線電源Qi標準等電力傳輸協議通過通信來驗證受電設備并決定傳輸的電量。電源系統管理器經常被用來協調系統配電和監控，同時與系統中的不同轉換器進行通信。 系統級功率優化 現代手機通常能夠根據基站的距離調節輻射功率，以延長電池供電時間并可能降低干擾。事實上，很多系統都可以根據傳輸的內容快速地調節它們的功率。功率放大器的電源可調制為跟蹤無線電信號網絡，以提高RF功率放大器的效率。 目前的充電器能夠監視儲存的電荷、電池化學成分以及電池的溫度，并通過自動優化為高效的快速充電提供適當的電流和電壓。智能充電器持續監視電池的電荷狀態 (SoC) 和健康狀態 (SoH)，并且相應地調節充電的電流和電壓。 一個服務器中的現代處理器能夠將與其操作模式相關的預先警報發送至智能電源管理模塊，以實現高效地功率轉換管理。此外，處理器還能夠將其硬件特性反饋給電源模塊，如此一來，它便可以通過自適應電壓調節 (AVS) 來為處理器決定正確的電壓電平。 實時電源轉換器調節 電源轉換器正在變得越來越高效。電源轉換器通過反饋環路來控制適當的電力傳輸。開關式電源原本就擁有一個閉合的控制環路，用來決定轉換器在瞬時和穩定狀態下的性能，而模擬控制環路通常被用于高效的轉換器中。雖然之前已經研究了很多針對智能電源的先進自適應控制算法，直到最近才在開關式電源轉換器中采用了大量的數字和混合信號環路。 數字化和信號處理的消耗目前處于合理的范圍，特別是在更高功率的應用中，效率損失（由額外的數字電路引起）是可以忽略不計的。這個針對混合信號和數字控制的范圍從用于比例積分微分 (PID) 控制環路的邏輯電路，到針對更高功率和更精密算法，基于處理器且更為復雜的控制環路。除此之外，為了提升輕負載以及滿負載情況下的效率，同時提升動態響應和易用性，十分需要在不同的負載條件下，在運行中調諧功率轉換器的參數以優化性能。 許多關鍵的集成電路和架構創新已經為智能電源管理的蓬勃發展做出了巨大貢獻，例如高頻軟開關、多相位轉換器以及涉及信號處理算法的環路控制。同時，半導體工藝技術已經為我們提供了先進的Bipolar CMOS DMOS (BCD) 工藝，可以將模擬、數字和功率器件組合在單個芯片上。更不用說氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 技術在功率晶體管品質方面已經取得了巨大的進步。 隨著在能源生態系統中進行電源管理時所面臨的挑戰逐步增大，半導體行業將越來越關注智能電源的轉換，以及如何實現效率的提升。 |
