讓智慧電源成為現實!

作者 : Patrick Le Fèvre,Powerbox行銷長

和許多其他定義一樣,「智慧電源」已經成為一個熱門詞彙,但有時很難理解「智慧」的含義,換一種說法,就是對最終用戶有什麼好處。很難確定「智慧電源」何時流行,但是今天,從電源控制IC到全自動化工廠,「智慧電源」已無處不在,而隨著工業4.0 (Industry 4.0)不斷發展,其作為主要技術的地位也得到了確立。

和許多其他定義一樣,「智慧電源」(Smart Power)已經成為一個熱門詞彙,但有時很難理解「智慧」的含義,換一種說法,就是對最終用戶有什麼好處。很難確定「智慧電源」何時流行,但是今天,從電源控制IC到全自動化工廠,「智慧電源」已無處不在,而隨著工業4.0 (Industry 4.0)不斷發展,其作為主要技術的地位也得到了確立。

智慧電源的起源

如果以脈衝寬度調變(PWM)為先驅,則可說「智慧電源」誕生於1976年。當時Silicon General推出了著名的PWM SG1524晶片。但對我們之間的許多人來說,則是在90年代中期,半導體產業透過對電源控制IC中增加更多功能才突破了晶片的發展界限。

Nihal Kulartna在其1998年出版的《Power electronics design handbook low-power components and application》(電力電子設計手冊:低功耗元件及應用)一書中認為,「智慧電源」一詞與提高晶片級功能等級、減少電源控制器所需周圍元件數量、簡化設計和減少客戶電路板上所需空間更具相關性。在那時,我們把添加到單一晶片中的其他功能命名為驅動電路、熱保護、過壓和欠壓保護、電流限制和診斷。

90年代末,為了減少空間和成本,汽車和消費性電子產業對功能提出高整合度的要求,而為了滿足這些產業對環境和成本的苛刻要求,智慧電源控制器應運而生。

儘管在半導體產業內,「智慧電源」的定義可能已經很清晰了,但是在電源業界,有關「智慧電源」的討論和辯論仍然非常激烈,特別是當所謂的「數位電源」這種新技術也成為廣泛討論的主題時。Nihal Kulartna圓融地得出結論,「智慧電源」一詞的使用是出於習慣上的原因而非技術上的原因,現在情況仍然如此。

數位技術使電源更智慧化時

對於21世紀的電力電子設計人員來說,「智慧電源」從數位電源的實現開始,帶來了一個新的發展方向,即可以透過使用微控制器(MCU)和軟體以「智慧」的方式來控制電源,從而最佳化整體性能。

在2020年,儘管數位電源已經成為電源工程師工具箱的一部分,但是應該記住,使電源更加智慧化是一項長期的任務。我們應該表彰為「數位電源」播種的先驅們——Trey Burns、N.R. Miller和Chris Henze。

關於這些發明家,我想提一個有趣的事情,那時電源產業正在緩慢地考慮使用SG1524 IC,以從線性電源過渡到開關電源。Trey Burns研究探索了狀態軌跡控制法(State-Trajectory Control Law)在升壓DC/DC轉換器中的應用,比較了兩種實現方法:一種採用數位處理器,另一種使用類比運算電路。這項研究的結果在各種會議上都有介紹,但是PESC 1977卻被認為是用數位方法驅動、監控和控制DC/DC轉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當時製造的實驗產品是一個工作在100Hz開關頻率下的升壓轉換器,雖然這個轉換器對現在來說很慢,但當時只能那樣,因為每個樣本執行數位程式需要花費450μs的時間。這個數位控制器是一台PDP 11/45迷你電腦,而升壓轉換器則由一個10mH的C型磁芯電感(非常大且很重)和大約13,000μF的電容所構成,因此,研究小組必須要將這個電路推到推車上的電腦上。

繼1977年的PESC之後,電源工程師在如何實現電源控制數位化方面取得了很大突破,而1984年和1985年則是數位電源技術發展的第二個里程碑。

一個例子是Chris Henze在明尼蘇達大學(University of Minnesota)Ned Mohan的指導下攻讀博士學位時,於1985年在法國Toulouse的PESC上發表了其研究中的一些關鍵部分。在該研究中,Henze使用微處理器並以適當的頻率控制當時的一台非隔離式DC/DC轉換器。

他在論文中指出了量化,以及需要靠抖動來獲取足夠的PWM解析度等問題。Henze所提出的這個應用是基於微處理器從純粹研究到商業可行應用演變的眾多代表之一。

20世紀90年代末,TI以數位訊號處理器(DSP) C2000為基礎,開發了第一台全數位控制的UPS。使用DSP對UPS系統的開關和電源管理進行數位控制,這是數位電源的首次實際應用。這項實際應用是旨在最佳化電源數位控制,擴大DSP應用範圍的一系列實驗中的第一個。

隨後的幾年中,半導體製造商推出了許多具有內建數位功能的不同結構電源控制器。雖然當時有一些現有的I/O通訊,但電源設計人員認為,電源管理匯流排(PMBus)發佈而對監測和控制電源控制器的命令進行標準化,這是邁向智慧電源新程度的重要一步。

為智慧電源打造的智慧儲能

如果可以使用數位電源技術以各種可能的方式最佳化電源開關性能並控制電源,那麼整合在具有複雜負載(例如重複峰值和再生能量)的嚴苛產業中的智慧電源系統,則更需要「智慧儲能」。

由NEC在1978年首次商業推出的超級電容技術,在隨後的幾年裡取得了令人矚目的進步。如今得益於奈米技術,可以在更小的封裝中實現巨大的儲存容量。

從大型起重機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,再到內建在可攜式裝置中的微型超級電容,當談到暫態能量儲存時,它們都在默默地推動智慧電源新的階段發展。

將數位控制和超級電容的優勢結合起來,就可以開發出非常先進的電源系統(圖1),而能夠動態地管理峰值能源的需求,減少對電網的影響,並保證重要元件和工業設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。

圖1 具數位控制和通訊介面的PRBX S-CAP BOOST超級電容組,能夠向負載提供峰值能量並儲存反向能量。

現在就有了邁向下一步的基礎,即針對智慧工業的智慧電源。

從智慧電源IC到智慧工業

工廠自動化通常和從工業3.0到工業4.0的過渡相關,它包含了各種各樣的電源解決方案。通常用來為設備特定部分獨立供電的電源,其性能已得益於新的技術。毫無疑問,採用最新一代功率半導體和磁性元件所設計的數位電源,能夠將更多的電能封裝到更小的佔位空間中。

然而,要使工廠實現真正的「智慧」,從而實現能耗最佳化以滿足負載需求,這還不夠,還需要使用其他技術。

從貨架到卡車

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

圖2 具備機器對機器通訊的智慧工廠中智慧電源運作。

智慧工廠的概念是從單一、有貢獻的過程到整個過程的最佳化,從而減少時間和能源上的消耗。在圖2所示的範例中,其過程是將包裹從倉庫運送到最終的裝運點。在這個過程中,過程的一開始會透過將包裹的體積、重量和特殊資訊(例如易碎、請勿倒置)發送到中央程序控制器(Hub Process Controller,HPC)的中央資料庫部分而對其進行標記(條碼或RFID)和標識。從那時起,從倉庫到運輸平台的過程中,每個網站所需的能量就可以知曉,然後將其從HPC傳輸到特定的網站。

一個例子是節能型輸送機,其是基於一系列由無刷直流馬達驅動的皮帶所設計。隨著包裹向前移動,為直流馬達供電的每個電源系統(圖3)的能量分佈圖,將透過HPC傳輸到輸送帶的特定部分,從而在需要峰值能量時可以對超級電容組進行預充電,或調整電壓限制、電流限制等其他參數。

圖3 PRBX採用微處理器進行數位控制的智慧電源,內建針對峰值負載和反向能量的儲能電容。

非常先進的系統會利用機器對機器(M2M)通訊。例如,當傳送帶上有包裹正在接近裝卸機器人時,最後一個工位會將能量輪廓資料發送給裝卸機器人,以便預設所有參數。

在所有這些步驟中,電源構成了生態系統的一部分,以及與HPC之間的通訊鏈路。當然,我們所談論的電源系統比過去所用的獨立版本要複雜得多。但是工廠自動化設計人員希望電源製造商不僅能打破常規,還可以使其成為機器對機器網路的一部分。

結論

從一個控制IC到一個完整的工廠,智慧電源已無所不在。正如我們過去所說,智慧工廠將由充滿好奇和創新的「智慧設計人員」設計的智慧電源所驅動。

(參考原文:Making smart power a reality!,by Patrick Le Fèvre)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年2月號雜誌

 

 

 

 

 

 

 

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