全新的“智能功率”

智能功率系统

　　通常在设计某种系统时，都会设定功耗指标。然而，当设计人员能"大概"满足这个指标后，通常都不会再尽力改进设计，因而留下功耗缺陷的隐忧。由于电子设备的产量往往多达数亿，每个设备多浪费几瓦就意味着巨大的能源浪费，加上汽油价格上涨，最终会对环境造成影响。不幸的是，一般很难跟踪每个部件的功耗或电压，使得消除器件的多余功耗的工作变得非常困难。而且，在系统工作时，也几乎无法测量这些电压、电流和温度，使得判别系统何时出现问题的工作更为复杂。

　　越来越多新标准的出现，如ATCA (高级电信计算架构)、MicroTCA以及智能平台管理接口 (IPMI)，表明我们需要系统层面和企业层面的功率管理。这些应用需要实时测量电压、电流和温度及发现问题的能力；记录和交换这些测量数据的能力；以及适时采取纠正措施的能力。毕竟，仅仅知道电源提供了多余的电流或板卡温度太高是无用的，还需要采取措施来纠正。

　　系统管理过去采用多芯片解决方案来实现。这类设计需额外增加10个~15个芯片，即耗费财力，又占用宝贵的板卡空间，还要额外耗电，因此实在不算是一种"解决方案"。多芯片方案还要耗费可观且通常是稀缺的工程技术资源。可是，业界却无视这些可观的成本，在管理和控制系统功耗方面一直努力甚少。

　　在意识到"全能普适"是世界上最大的谎言后，人们似乎明白需要采用现场可编程解决方案。使用基于 Flash 技术的单芯片现场可编程器件是实现简单及低成本系统管理解决方案的最好方法。这种具有上电即用的器件在市场已有供应，能减少系统的部件数量，并完成系统功率管理。由于具有现场可编程能力，这种灵活的器件还能轻松满足各种独特需求，并可应对项目、系统、板卡和工程师的需求变更。采用非易失性存储技术的混合信号Actel Fusion 可编程系统芯片则进一步降低了工程技术资源需求，是包括软件和硬件的完整解决方案。

　　而且，由于这种芯片集成了必要的管理功能 (如启动和上电顺序管理、功率管理)，因此系统成本得以降低。构建智能功率系统的前期投入少，运行成本也大幅降低。由于每年节省1W的能量就会使系统运行成本节省1美元~2美元，在企业层面开发高成本效益的功率管理解决方案就能节省数量惊人的能量，从而节省大量金钱，而且，更重要的是对环境还有极大好处。

　　智能功率解决方案一例

　　电机在当今生活中几乎无处不在，从电梯到家用电器。2005年，美国的电力消耗为40550亿千瓦小时。其中50% 以上用于电机消耗，即达到惊人的2万亿千瓦小时。不幸的是，许多使用中电机的效率都很低，将供应的电能浪费了一大部分。

　　随着半导体工艺和集成度的提高，混合信号FPGA开始成为实现电机控制的重要替代产品。这类集成度高、灵活性强的平台能提供电机控制所需的大多数资源，且集成在低成本的单芯片器件上。采用FPGA替代固定逻辑产品，设计人员能够灵活地实现针对应用的最高效设计，并可将相同器件用于不同的电机。

　　小型AC交流电机的效率可能会低到50%。虽然，随着电机尺寸增加，其效率也增加到90%以上，但仍然还有提高效率和降低能耗的空间。通过引入智能化的负载匹配技术或变频控制技术，可以提高电机在整个速度范围的功效。采用可重编程混合信号FPGA和用软件方式优化的微控制器 (如ARM7或ARM Cortex-M1处理器)，就可以在许多类型的电机上达到这个目的，而且实现成本对大多应用都具有吸引力。事实上，在最佳情况下采用此技术，电机效率可接近95%；如果大规模应用，美国年度能耗便可降低3,000亿千瓦小时，即节省数十亿美元，并减少温室排放气体1.8亿吨（图2）。

　　结论

　近20年来，功率的概念已发生巨大变化。同时，各种电子设备大量涌现。可悲的是， 为这些电子设备供电而发电所产生的温室气体排放，对全球变暖造成的影响高得惊人。

　　业界各电子厂家都在讨论如何降低能耗，希望这样会有助于环境保护，但其实我们能够做到的更多。无论是智能功率芯片和系统的设计，还是形成整个电子工业的能效指导标准。新的功率范例要求电子工业承担降低能耗的责任，从而提高能效，最终减少温室气体排放。