如果以脈沖寬度調(diào)變(PWM)為先驅(qū)，則可說“智能電源”誕生于1976年。當(dāng)時Silicon General推出了著名的PWM SG1524芯片。但對我們之間的許多人來說，則是在90年代中期，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)透過對電源控制IC中增加更多功能才突破了芯片的發(fā)展界限。

 

Nihal Kulartna在其1998年出版的《Power electronics design handbook low-power components and application》(電力電子設(shè)計(jì)手冊：低功耗組件及應(yīng)用)一書中認(rèn)為，“智能電源”一詞與提高芯片級功能等級、減少電源控制器所需周圍組件數(shù)量、簡化設(shè)計(jì)和減少客戶電路板上所需空間更具相關(guān)性。在那時，我們把添加到單一芯片中的其他功能命名為驅(qū)動電路、熱保護(hù)、過壓和欠壓保護(hù)、電流限制和診斷。

 

90年代末，為了減少空間和成本，汽車和消費(fèi)性電子產(chǎn)業(yè)對功能提出高整合度的要求，而為了滿足這些產(chǎn)業(yè)對環(huán)境和成本的苛刻要求，智能電源控制器應(yīng)運(yùn)而生。

 

盡管在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)內(nèi)，“智能電源”的定義可能已經(jīng)很清晰了，但是在電源業(yè)界，有關(guān)“智能電源”的討論和辯論仍然非常激烈，特別是當(dāng)所謂的“數(shù)字電源”這種新技術(shù)也成為廣泛討論的主題時。Nihal Kulartna圓融地得出結(jié)論，“智能電源”一詞的使用是出于習(xí)慣上的原因而非技術(shù)上的原因，現(xiàn)在情況仍然如此。

 

 

對于21世紀(jì)的電力電子設(shè)計(jì)人員來說，“智能電源”從數(shù)字電源的實(shí)現(xiàn)開始，帶來了一個新的發(fā)展方向，即可以透過使用微控制器(MCU)和軟件以“智能”的方式來控制電源，從而優(yōu)化整體性能。

 

在2020年，盡管數(shù)字電源已經(jīng)成為電源工程師工具箱的一部分，但是應(yīng)該記住，使電源更加智能化是一項(xiàng)長期的任務(wù)。我們應(yīng)該表彰為“數(shù)字電源”播種的先驅(qū)們——Trey Burns、N.R. Miller和Chris Henze。

 

關(guān)于這些發(fā)明家，我想提一個有趣的事情，那時電源產(chǎn)業(yè)正在緩慢地考慮使用SG1524 IC，以從線性電源過渡到開關(guān)電源。Trey Burns研究探索了狀態(tài)軌跡控制法(State-Trajectory Control Law)在升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用，比較了兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種采用數(shù)字處理器，另一種使用模擬運(yùn)算電路。這項(xiàng)研究的結(jié)果在各種會議上都有介紹，但是PESC 1977卻被認(rèn)為是用數(shù)字方法驅(qū)動、監(jiān)控和控制DC/DC轉(zhuǎn)換器和電源的研究起源。

 

雖然這個傳聞很有趣，但值得注意的是，Burns當(dāng)時制造的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品是一個工作在100Hz開關(guān)頻率下的升壓轉(zhuǎn)換器，雖然這個轉(zhuǎn)換器對現(xiàn)在來說很慢，但當(dāng)時只能那樣，因?yàn)槊總€樣本執(zhí)行數(shù)字程序需要花費(fèi)450μs的時間。這個數(shù)字控制器是一臺PDP 11/45迷你計(jì)算機(jī)，而升壓轉(zhuǎn)換器則由一個10mH的C型磁芯電感(非常大且很重)和大約13,000μF的電容所構(gòu)成，因此，研究小組必須要將這個電路推到推車上的計(jì)算機(jī)上。

 

繼1977年的PESC之后，電源工程師在如何實(shí)現(xiàn)電源控制數(shù)字化方面取得了很大突破，而1984年和1985年則是數(shù)字電源技術(shù)發(fā)展的第二個里程碑。

 

一個例子是Chris Henze在明尼蘇達(dá)大學(xué)(University of Minnesota)Ned Mohan的指導(dǎo)下攻讀博士學(xué)位時，于1985年在法國Toulouse的PESC上發(fā)表了其研究中的一些關(guān)鍵部分。在該研究中，Henze使用微處理器并以適當(dāng)?shù)念l率控制當(dāng)時的一臺非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。

 

他在論文中指出了量化，以及需要靠抖動來獲取足夠的PWM分辨率等問題。Henze所提出的這個應(yīng)用是基于微處理器從純粹研究到商業(yè)可行應(yīng)用演變的眾多代表之一。

 

20世紀(jì)90年代末，TI以數(shù)字信號處理器(DSP) C2000為基礎(chǔ)，開發(fā)了第一臺全數(shù)字控制的UPS。使用DSP對UPS系統(tǒng)的開關(guān)和電源管理進(jìn)行數(shù)字控制，這是數(shù)字電源的首次實(shí)際應(yīng)用。這項(xiàng)實(shí)際應(yīng)用是旨在優(yōu)化電源數(shù)字控制，擴(kuò)大DSP應(yīng)用范圍的一系列實(shí)驗(yàn)中的第一個。

 

隨后的幾年中，半導(dǎo)體制造商推出了許多具有內(nèi)置數(shù)字功能的不同結(jié)構(gòu)電源控制器。雖然當(dāng)時有一些現(xiàn)有的I/O通訊，但電源設(shè)計(jì)人員認(rèn)為，電源管理總線(PMBus)發(fā)布而對監(jiān)測和控制電源控制器的命令進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，這是邁向智能電源新程度的重要一步。

 

 

如果可以使用數(shù)字電源技術(shù)以各種可能的方式優(yōu)化電源開關(guān)性能并控制電源，那么整合在具有復(fù)雜負(fù)載(例如重復(fù)峰值和再生能量)的嚴(yán)苛產(chǎn)業(yè)中的智能電源系統(tǒng)，則更需要“智能儲能”。

 

由NEC在1978年首次商業(yè)推出的超級電容技術(shù)，在隨后的幾年里取得了令人矚目的進(jìn)步。如今得益于奈米技術(shù)，可以在更小的封裝中實(shí)現(xiàn)巨大的儲存容量。

 

從大型起重機(jī)舉起重物時需要使用大能量，到電動車在加速、減速和煞車時將能量回存的過程中幫助提高性能，再到內(nèi)置在便攜設(shè)備中的微型超級電容，當(dāng)談到瞬時能量儲存時，它們都在默默地推動智能電源新的階段發(fā)展。

 

將數(shù)字控制和超級電容的優(yōu)勢結(jié)合起來，就可以開發(fā)出非常先進(jìn)的電源系統(tǒng)(圖1)，而能夠動態(tài)地管理峰值能源的需求，減少對電網(wǎng)的影響，并保證重要組件和工業(yè)設(shè)備的使用壽命更長久。借助儲存再生能量的能力，還可以對減少能源消耗做出巨大的貢獻(xiàn)。

圖1 具數(shù)字控制和通訊接口的PRBX S-CAP BOOST超級電容組，能夠向負(fù)載提供峰值能量并儲存反向能量。

 

現(xiàn)在就有了邁向下一步的基礎(chǔ)，即針對智能工業(yè)的智能電源。

 

 

工廠自動化通常和從工業(yè)3.0到工業(yè)4.0的過渡相關(guān)，它包含了各種各樣的電源解決方案。通常用來為設(shè)備特定部分獨(dú)立供電的電源，其性能已得益于新的技術(shù)。毫無疑問，采用最新一代功率半導(dǎo)體和磁性組件所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源，能夠?qū)⒏嗟碾娔芊庋b到更小的占位空間中。

 

然而，要使工廠實(shí)現(xiàn)真正的“智能”，從而實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化以滿足負(fù)載需求，這還不夠，還需要使用其他技術(shù)。

 

 

如果考慮一個典型的智能工廠(圖2)，在這個過程中會使用許多的系統(tǒng)和子系統(tǒng)來搬運(yùn)和處理零件和包裹。在每個步驟，輸送機(jī)和固定或移動機(jī)器人從輕載到重載會處理各種不同類型的負(fù)載，每種負(fù)載就需要提供不同的能量。
 

圖2 具備機(jī)器對機(jī)器通訊的智能工廠中智能電源運(yùn)作。

 

智能工廠的概念是從單一、有貢獻(xiàn)的過程到整個過程的優(yōu)化，從而減少時間和能源上的消耗。在圖2所示的范例中，其過程是將包裹從倉庫運(yùn)送到最終的裝運(yùn)點(diǎn)。在這個過程中，過程的一開始會透過將包裹的體積、重量和特殊信息(例如易碎、請勿倒置)發(fā)送到中央過程控制器(Hub Process Controller，HPC)的中央數(shù)據(jù)庫部分而對其進(jìn)行標(biāo)記(條形碼或RFID)和標(biāo)識。從那時起，從倉庫到運(yùn)輸平臺的過程中，每個網(wǎng)站所需的能量就可以知曉，然后將其從HPC傳輸?shù)教囟ǖ木W(wǎng)站。

 

一個例子是節(jié)能型輸送機(jī)，其是基于一系列由無刷直流馬達(dá)驅(qū)動的皮帶所設(shè)計(jì)。隨著包裹向前移動，為直流馬達(dá)供電的每個電源系統(tǒng)(圖3)的能量分布圖，將透過HPC傳輸?shù)捷斔蛶У奶囟ú糠?，從而在需要峰值能量時可以對超級電容組進(jìn)行預(yù)充電，或調(diào)整電壓限制、電流限制等其他參數(shù)。

 

圖3 PRBX采用微處理器進(jìn)行數(shù)字控制的智能電源，內(nèi)置針對峰值負(fù)載和反向能量的儲能電容。

 

非常先進(jìn)的系統(tǒng)會利用機(jī)器對機(jī)器(M2M)通訊。例如，當(dāng)傳送帶上有包裹正在接近裝卸機(jī)器人時，最后一個工位會將能量輪廓數(shù)據(jù)發(fā)送給裝卸機(jī)器人，以便預(yù)設(shè)所有參數(shù)。

 

在所有這些步驟中，電源構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的一部分，以及與HPC之間的通訊鏈路。當(dāng)然，我們所談?wù)摰碾娫聪到y(tǒng)比過去所用的獨(dú)立版本要復(fù)雜得多。但是工廠自動化設(shè)計(jì)人員希望電源制造商不僅能打破常規(guī)，還可以使其成為機(jī)器對機(jī)器網(wǎng)絡(luò)的一部分。

 

 

從一個控制IC到一個完整的工廠，智能電源已無所不在。正如我們過去所說，智能工廠將由充滿好奇和創(chuàng)新的“能設(shè)計(jì)人員”計(jì)的智能電源所驅(qū)動。