高效率能量管理

本文作者：

Tony Armstrong

凌力尔特公司  电源产品部  产品市场总监

背景信息

工业自动化仍然是提高效率和节省成本的关键驱动力。要想更好地理解为什么是这样，就需要探讨和回顾几个发展趋势。首先来看可持续性。

就能量和资源利用效率而言，可持续性是全球制造业成功的关键因素。人们日益关注在工厂和各制造业采用高能效解决方案的问题，这也将促进可持续制造的实现。例如，通过 IE3 类能效标准，能效问题将左右电动型汽车市场的业务发展。[这一分类来自欧洲最新超高效率行业标准或美国能源独立与安全法案 (EISA) 的 Nema Premium，Nema Premium 从 2015 年 1 月或 2017 年开始适用，这取决于功率等级]。类似地，废水处理和处理泵将主导全球传统水泵市场的业务发展。

云计算、网络安全以及移动和无线通信技术等大趋势对未来的工厂发展将起到促进作用。相应地，对更高生产效率和更高效率的需求将促使企业在工厂车间和跨所有最终用户的企业之间进行更多的互动。资产管理和灵活的制造也带动了具活力的工厂集成，在工业应用中，自动化和定制化服务解决方案将有非常大的发展潜力。

接下来看一下功耗，因为防止浪费是最大限度减少自然资源消耗的关键。任何系统中的功耗都可以从两个方面来控制。首先，通过在整个负载电流范围内最大限度地提高转换效率，其次，通过降低 DC/DC 转换器在所有工作模式时吸取的静态电流。因此，为了在降低系统功耗方面发挥积极作用，电源转换和管理 IC 必须提高效率。也就是说，无论是在轻负载还是在休眠模式，都要降低功耗，并具备非常低的功耗水平。

例如，考虑一下很多工业自动化系统中常见的嵌入式系统。这些嵌入式系统通常通过 48V 背板供电。这个电压通常被降至更低的中间总线电压，典型值为 12V 至 3.3V，以给系统中一架一架的电路板供电。然而，这些电路板上的大多数子电路或 IC 需要在不到 1V 至 3.3V 的电压范围和数十毫安到数百安培的电流范围内工作。结果，负载点 (POL) DC/DC 转换器电压必须从中间总线电压降至子电路或 IC 所需的电压。这些电压轨对排序、电压准确度、裕度调节和监察有严格的要求。

既然在数据通信、电信或存储系统中可能至少有 50 个 POL 电压轨，因此系统设计师需要一种简单的方法来管理这些轨的输出电压、排序以及允许的最大电流。某些处理器要求其输入和输出 (I/O) 电压在其内核电压之前上升，而某些数字信号处理器 (DSP) 则要求内核电压先于其 I/O 上升。此外，断电排序也是必需的。因此，系统设计师需要一种简便的更改方法，以优化系统性能，针对每一个 DC/DC 转换器储存特定配置，以简化设计工作。

另外，为了针对可能出现的过压情况保护昂贵的专用集成电路 (ASIC)，高速比较器必须监视每一个轨的电压值，一旦某个轨超出其规定的安全工作限制，就立即采取保护性行动。在数字电源系统中，当发生故障时，可以通过 PMBus 报警线路通知主机，从属轨可以关断，以保护受电器件，例如 ASIC。实现这种级别的保护需要合理的准确度和数十微妙量级的响应时间。

在伟大的创新领域，将创新技术传递到最终用户并不总是很容易。人们普遍认为，在新能源和清洁能源(又称为替代能源) 市场，电源管理有很多机会。尽管我们周围有大量环境能源，但传统能量收集方法一直是用太阳能电池板和风力发电机。不过，最新能量收集工具使我们能够用多种环境能源产生电能。此外，重要的不是电路的能量转换效率，而是"平均收集到的"并可用来给电路供电的能量。例如，热电发生器将热量转换成电力，压电组件转换机械振动能量，光伏组件转换太阳光或任何光源。这就使得有可能给远程传感器供电，或者给存储器件充电 (例如电容器或薄膜电池)，以便无需本地电源，就可在偏远地点给微处理器或发送器供电。

解决方案

显然，在应用或最终产品中采用高效率能量管理有很多好处，同时高效率能量管理还减轻了给宝贵和有限的全球资源带来的负担。这不仅有利于企业，也有利于环境。那么，到哪里去找这种合适的产品来设计这样的系统呢? 凌力尔特公司就一直在设计和开发很多新的电源管理和转换 IC，这些 IC 效率更高、具备数字遥