與許多其他定義一樣，“智能電源”已成為營銷流行語，有時很難理解“智能”部分的含義?；蛘邠Q一種說法——對最終用戶有什么好處。智能電源何時成為潮流可能同樣難以確定，但今天，從電源控制器 IC 到全自動工廠，智能電源無處不在，隨著工業(yè) 4.0 的不斷發(fā)展，它作為主導(dǎo)技術(shù)的地位得到了保證。

智能電源的由來

如果說PWM的先驅(qū)，“Smart Power”誕生于1976年Silicon General推出著名的Pulse Width Modulator SG1524芯片。但對我們中的許多人來說，這是在 90 年代中期，半導(dǎo)體行業(yè)通過向電源控制集成電路添加更多功能來推動硅的邊界。

Nihal Kulartna 在 1998 年出版的《電力電子設(shè)計手冊低功耗元件和應(yīng)用》一書中認為，在提高芯片級功能水平、減少電源控制器所需的周圍元件數(shù)量時，術(shù)語“智能電源”更相關(guān)，簡化設(shè)計并減少客戶板上所需的空間量。在當時添加到單個芯片的附加功能中，我們可以命名驅(qū)動電路、熱保護、過壓和欠壓保護、電流限制和診斷。

圖 1：具有數(shù)字控制和通信接口的 PRBX S-CAP BOOST 超級電容器組能夠向負載提供峰值能量并存儲反向能量

九十年代后期，開發(fā)了許多智能電源控制器，以滿足汽車和消費電子行業(yè)對環(huán)境和成本的苛刻要求，需要高度集成的功能水平以減少空間和成本。

盡管在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)，智能電源的定義可能已經(jīng)很明顯，但在電源界內(nèi)，關(guān)于“智能電源”的討論和爭論仍在激烈進行，尤其是當一項新技術(shù)出現(xiàn)時，所謂的“數(shù)字電源”也是許多討論的主題. 在外交上，Nihal Kulartna 得出的結(jié)論是，“智能電源”一詞是出于制度而非技術(shù)原因使用的，現(xiàn)在仍然如此。

當數(shù)字使電源更智能時！

對于 21 世紀的電力電子設(shè)計人員來說，“智能電源”始于數(shù)字電源的實施，帶來了一個新維度，即通過以“智能”方式使用微控制器和軟件來控制電源以優(yōu)化整體性能.

盡管在 2020 年，數(shù)字電源已成為電源工程師工具箱的一部分，但我們應(yīng)該記住，使電源更智能是一項長期任務(wù)，我們應(yīng)該認識到為“數(shù)字電源”埋下種子的先驅(qū)，包括 Trey Burns、NR Miller 和克里斯·亨澤。

關(guān)于這些發(fā)明者，我想提到一個有趣的事件，當時電力行業(yè)正在慢慢考慮使用 SG1524 IC 從線性電源遷移到開關(guān)電源。Trey Burns 研究并探索了狀態(tài)軌跡控制定律在升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用，他比較了兩種實現(xiàn)方法，一種使用數(shù)字處理器，另一種使用模擬計算電路。這項研究的結(jié)果在各種會議上發(fā)表，但 PESC 1977 被認為是驅(qū)動、監(jiān)測和控制 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和電源的數(shù)字方法研究浪潮的起源。

現(xiàn)在有一個軼事，但仍然有趣的是，Trey Burs 構(gòu)建的一個實驗產(chǎn)品是一個工作在 100Hz 開關(guān)頻率的升壓轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在聽起來很慢，但它必須如此，因為執(zhí)行每個樣本的數(shù)字程序最多需要 450 微秒。數(shù)字控制器是 PDP 11/45 微型計算機，升壓轉(zhuǎn)換器使用 10mH cut-C 核心電感器（非常大和重）和大約 13,000μF 的電容構(gòu)建。研究小組將電路推到推車上的計算機上。

繼 PESC 1977 之后，電源工程師在如何實現(xiàn)電源控制數(shù)字化方面取得了大量進展，1984 年和 1985 年是數(shù)字電源技術(shù)演進的第二個基石。

一個例子是 Chris Henze 在 Ned Mohan 的指導(dǎo)下在明尼蘇達大學(xué)攻讀博士學(xué)位。Chris 于 1985 年在圖盧茲的 PESC 發(fā)表了他工作的一些有趣的部分。在這項工作中，Chris 使用微處理器并以合理的頻率切換那個時代的非隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

在他的論文中，他確定了量化等問題，以及需要抖動以獲得足夠的 PWM 分辨率。Chris Henze 提出的應(yīng)用程序是代表從純研究到基于微處理器的商業(yè)可行應(yīng)用程序的演變的眾多應(yīng)用程序之一。

1990 年代后期，TI 以數(shù)字信號處理器 C2000 為基礎(chǔ)，開發(fā)出第一臺全數(shù)字控制的 UPS。使用 DSP 以數(shù)字方式控制 UPS 系統(tǒng)的開關(guān)和電源管理是數(shù)字電源的第一個實際應(yīng)用。這一實際應(yīng)用是旨在優(yōu)化電源數(shù)字控制、擴大 DSP 機會范圍的一系列長期實驗中的第一個。

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圖 2：具有機器對機器通信的智能工廠中的智能電源操作

在接下來的幾年中，半導(dǎo)體制造商推出了許多具有不同架構(gòu)的內(nèi)置數(shù)字功能的電源控制器。盡管存在一些現(xiàn)有的 I/O 通信，但電源設(shè)計人員認為，電源管理總線 (PMBus) 的推出，將監(jiān)控和控制電源控制器的命令標準化，是邁向智能電源新水平的重要一步。

智能能源的智能儲能

如果數(shù)字電源技術(shù)可以優(yōu)化電源開關(guān)性能并以各種可能的方式控制電源，那么在具有復(fù)雜負載（例如重復(fù)峰值和再生能源）的苛刻行業(yè)中集成的智能電源系統(tǒng)的需求不斷增長，需要“智能儲能”。

超級電容器技術(shù)于 1978 年首次由日本電氣公司商業(yè)推出，在接下來的幾年中取得了令人矚目的進步，如今受益于納米技術(shù)，可以在更小的封裝中創(chuàng)建大容量存儲。

從在提升重物時需要高能量水平的大型起重機，在電動汽車中幫助提高加速時的性能并在減速和制動時儲存能量，到便攜式設(shè)備中內(nèi)置的微型超級電容器，它們都在默默地為智能電源的新水平做出貢獻當瞬態(tài)儲能進入回路時。

結(jié)合數(shù)字控制和超級電容器的優(yōu)勢，可以開發(fā)非常先進的電力系統(tǒng)（圖 01），能夠動態(tài)管理峰值能源需求，減少對電網(wǎng)的影響，并保證戰(zhàn)略組件和工業(yè)設(shè)備的使用壽命更長. 通過具有存儲再生能量的能力，這也是降低能耗的一個非常重要的因素。

我們現(xiàn)在有了邁向下一步的基礎(chǔ)，即智能行業(yè)的智能電源。

從智能電源IC到智能工業(yè)

通常與工業(yè) 3.0 向工業(yè) 4.0 的遷移相關(guān)聯(lián)，工廠自動化包含種類繁多的電源解決方案。通常獨立的、為特定設(shè)備供電的電源性能受益于新技術(shù)，毫無疑問，與最新一代功率半導(dǎo)體和磁性元件相關(guān)的數(shù)字電源使得將更多功率封裝到更小的占地面積成為可能。然而，要使工廠真正“智能”，從而優(yōu)化能源消耗以滿足負載需求，這還不夠，還需要額外的技術(shù)。

從貨架到卡車

如果我們考慮一個典型的智能工廠（圖 02），在此過程中會使用許多系統(tǒng)和子系統(tǒng)來搬運和處理零件和包裹。在每一步，傳送帶和固定或移動機器人將處理不同類型的負載，從輕到重，每種負載都需要不同的能量。

智能工廠的概念是從單一的、有貢獻的過程優(yōu)化到整體的過程，以減少時間和能源消耗。在圖 02 中的示例中，流程是將包裹從倉庫運送到最終運輸點。在該過程中，包裹被標記（裸碼或 RF ID）并在過程開始時通過將體積、重量和特殊處理信息（例如易碎、不可翻轉(zhuǎn)）發(fā)送到集線器過程控制器 (HPC) 的中央數(shù)據(jù)庫部分進行識別）。從那時起，在從倉庫到運輸平臺的過程中，每個站點所需的能量都將被知曉，并從 HPC 傳送到特定站點。

一個例子是能量優(yōu)化的輸送機，它基于一系列由無刷直流電機驅(qū)動的皮帶。隨著包裹向前移動，為直流電機供電的每個電力系統(tǒng)（圖 03）的能量分布將由 HPC 傳送到輸送機的特定部分，從而可以在需要峰值能量時對超級電容器組進行預(yù)充電，或調(diào)整其他參數(shù)，如電壓、電流限制。

非常先進的系統(tǒng)利用機器對機器的通信，例如，當包裹接近傳送帶上的搬運機器人時，最后一個站將能量分布數(shù)據(jù)發(fā)送到搬運機器人以提前預(yù)設(shè)所有參數(shù)。

在所有這些步驟中，電源構(gòu)成了與 HPC 的生態(tài)系統(tǒng)和通信鏈接的一部分。當然，我們談?wù)摰氖潜任覀冞^去習(xí)慣的獨立版本復(fù)雜得多的電力系統(tǒng)。但是工廠自動化設(shè)計人員希望電源制造商不僅要開箱即用，而且要使他們成為機器對機器網(wǎng)絡(luò)的一部分。

綜上所述

從控制 IC 到完整的工廠，智能電源無處不在，正如我們過去所說，智能工廠將由充滿好奇心和創(chuàng)新精神的“智能設(shè)計師”設(shè)計的智能電源供電。

審核編輯 黃昊宇

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