高效率能源管理

背景信息

工業自動化仍然是提高效率和節省成本的關鍵驅動力。要想更好地理解為什么是這樣，就需要探討和回顧幾個發展趨勢。首先來看可持續性。

就能量和資源利用效率而言，可持續性是全球制造業成功的關鍵因素。人們日益關注在工廠和各制造業采用高能效解決方案的問題，這也將促進可持續制造的實現。例如，通過 IE3 類能效標準，能效問題將左右電動型汽車市場的業務發展。[這一分類來自歐洲最新超高效率行業標準或美國能源獨立與安全法案 (EISA) 的 Nema Premium，Nema Premium 從 2015 年 1 月或 2017 年開始適用，這取決于功率等級]。類似地，廢水處理和處理泵將主導全球傳統水泵市場的業務發展。

云計算、網絡安全以及移動和無線通信技術等大趨勢對未來的工廠發展將起到促進作用。相應地，對更高生產效率和更高效率的需求將促使企業在工廠車間和 跨所有最終用戶的企業之間進行更多的互動。資產管理和靈活的制造也帶動了具活力的工廠集成，在工業應用中，自動化和定制化服務解決方案將有非常大的發展潛 力。

接下來看一下功耗，因為防止浪費是最大限度減少自然資源消耗的關鍵。任何系統中的功耗都可以從兩個方面來控制。首先，通過在整個負載電流范圍內最大限度地提高轉換效率，其次，通過降低 DC/DC 轉換器在所有工作模式時吸取的靜態電流。因此，為了在降低系統功耗方面發揮積極作用，電源轉換和管理 IC 必須提高效率。也就是說，無論是在輕負載還是在休眠模式，都要降低功耗，并具備非常低的功耗水平。

例如，考慮一下很多工業自動化系統中常見的嵌入式系統。這些嵌入式系統通常通過 48V 背板供電。這個電壓通常被降至更低的中間總線電壓，典型值為 12V 至 3.3V，以給系統中一架一架的電路板供電。然而，這些電路板上的大多數子電路或 IC 需要在不到 1V 至 3.3V 的電壓范圍和數十毫安到數百安培的電流范圍內工作。結果，負載點 (POL) DC/DC 轉換器電壓必須從中間總線電壓降至子電路或 IC 所需的電壓。這些電壓軌對排序、電壓準確度、裕度調節和監察有嚴格的要求。

既然在數據通信、電信或存儲系統中可能至少有 50 個 POL 電壓軌，因此系統設計師需要一種簡單的方法來管理這些軌的輸出電壓、排序以及允許的最大電流。某些處理器要求其輸入和輸出 (I/O) 電壓在其內核電壓之前上升，而某些數字信號處理器 (DSP) 則要求內核電壓先于其 I/O 上升。此外，斷電排序也是必需的。因此，系統設計師需要一種簡便的更改方法，以優化系統性能，針對每一個 DC/DC 轉換器儲存特定配置，以簡化設計工作。

另外，為了針對可能出現的過壓情況保護昂貴的專用集成電路 (ASIC)，高速比較器必須監視每一個軌的電壓值，一旦某個軌超出其規定的安全工作限制，就立即采取保護性行動。在數字電源系統中，當發生故障時，可以通過 PMBus 報警線路通知主機，從屬軌可以關斷，以保護受電器件，例如 ASIC。實現這種級別的保護需要合理的準確度和數十微妙量級的響應時間。

在偉大的創新領域，將創新技術傳遞到最終用戶并不總是很容易。人們普遍認為，在新能源和清潔能源(又稱為替代能源) 市場，電源管理有很多機會。盡管我們周圍有大量環境能源，但傳統能量收集方法一直是用太陽能電池板和風力發電機。不過，最新能量收集工具使我們能夠用多種 環境能源產生電能。此外，重要的不是電路的能量轉換效率，而是“平均收集到的”并可用來給電路供電的能量。例如，熱電發生器將熱量轉換成電力，壓電組件轉 換機械振動能量，光伏組件轉換太陽光或任何光源。這就使得有可能給遠程傳感器供電，或者給存儲器件充電 (例如電容器或薄膜電池)，以便無需本地電源，就可在偏遠地點給微處理器或發送器供電。

解決方案

顯然，在應用或最終產品中采用高效率能量管理有很多好處，同時高效率能量管理還減輕了給寶貴和有限的全球資源帶來的負擔。這不僅有利于企業，也有利于環境。那么，到哪里去找這種合適的產品來設計這樣的系統呢? 凌力爾特公司就一直在設計和開發很多新的電源管理和轉換 IC，這些 IC 效率更高、具備數字遙測和接口功能、從環境能源中收集少量能量并具備非常低的靜態電流。

I2C 等標準串行數字總線的使用使得能夠與采用數字技術的 DC/DC 轉換器進行簡便和高效率通信，而且 PMBus 等新標準為實現組件互操作性提供了方便。重要的穩壓器參數 (例如啟動特性和定時、輸出電壓和電流限制、裕度調節規格以及過壓和欠壓監察限制) 都可以直接以數字方式設定，而無需用電阻和耗費空間的排序與監視產品設定。此外，關鍵工作參數 (例如溫度以及輸入和輸出電壓及電流) 都可以定時監視，并用來優化系統性能和可靠性。

正確部署數字電源以后，可以降低數據中心功耗、加快產品上市、實現卓越的穩定性和瞬態響應，并提高網絡設備等系統的總體可靠性。

現在的情況迫使網絡設備系統設計師提高系統的數據吞吐量和性能，增加功能和特性。同時，他們還面臨著降低系統總體功耗的壓力。數據中心面對的挑戰 是，通過重新調度工作流程，將作業轉移到未得到充分利用的服務器上，以關掉一些服務器，從而降低總體功耗。為了滿足這些要求，有必要了解最終用戶設備的功 耗。正確設計的數字電源管理系統可以為用戶提供功耗數據，允許做出智能能量管理決策。

凌力爾特公司的 LTC388x 系列數字電源 IC 針對關鍵負載點轉換器功能的實時控制和監視提供高分辨率可編程性和快速遙測回讀，因此提供了高度準確的數字電源系統管理。例如，LTC3880 是一款雙輸出高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，具備基于 I2C 的PMBus 接口，可使用超過 100 條命令，有內置 EEPROM。該器件整合了同類最佳模擬開關穩壓器控制器和精確的混合信號數據轉換，可實現無與倫比的電源系統設計和管理，具易用 GUI 的 LTpowerPlay? 軟件開發系統支持該器件。

對于在工業無線傳感器甚至可穿戴技術應用中進行少量能量收集而言，凌力爾特專門設計了 LTC3331 來滿足這類應用的要求，如圖 1 所示。

LTC3331 是一款完整的能量收集 (EH) 調節解決方案，提供高達 50mA 的連續輸出電流，以在可收集能量可用時延長電池壽命。當用收集的能量向負載提供穩定功率時，該器件無需電池提供電源電流，而在無負載情況下用電池供電時，僅需要 950nA 工作電流。LTC3331 集成了一個高壓能量收集電源，還有一個由可再充電主電池供電的同步降壓-升壓型 DC/DC 轉換器，這樣就可以為能量收集應用提供一個不間斷輸出，例如無線傳感器節點 (WSN) 中的那類能量收集應用。

LTC3331 的能量收集電源由一個適合 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個高效率同步降壓型轉換器組成，從壓電 (AC)、太陽能 (DC) 或磁性 (AC) 能源收集能量。10mA 分流電流允許簡便地用收集的能量給電池充電，同時低電池電量斷接功能保護電池免于深度放電。可再充電電池為同步降壓-升壓型轉換器供電，該轉換器在 1.8V 至 5.5V 輸入電壓范圍內工作，當收集能量不可用時，無論輸入高于、低于或等于輸出，都可用來調節輸出。當應對微功率電源時，LTC3331 電池充電器有一項非常重要、不容忽視的電源管理功能。LTC3331 能夠對電池充電器進行邏輯控制，因此僅當能量收集電源有多余的能量時，才會給電池充電。如果沒有這種邏輯控制功能，能量收集電源就會在啟動時卡在某個非最佳工作點上，不能完成啟動過程以給目標應用供電。當能量收集電源不再可用時，LTC3331 自動轉換為電池供電。這又增加了一個好處：如果適合的能量收集電源至少在一半時間內可用，那么就允許電池供電的 WSN 將工作壽命從 10 年延長至超過 20 年，如果能量收集能源更普遍，其壽命甚至能夠延長更長時間。該器件還集成了一個超級電容器平衡器，從而可提高輸出存儲能力。

結論

有很多產品有助于使我們的生活變得更舒適、更有成效、更方便。不過，代價之一是，會耗盡我們的自然資源。然而，社會不會不嘗試降低這種潛在的負面影 響，就讓這種情況發生。解決這個問題的一項主要行動是負責任地使用我們的能源。最有效的使用方式之一是，對工業自動化系統、通信設備和網絡基礎設施進行高 效率能量管理。

不過，為了實現這個目標，需要提供必要的基本構件型電源管理和轉換 IC。幸運的是，由于凌力爾特等公司提供的模擬電源，系統設計師可以針對他們的最終設備做出恰當的選擇。