智能电源为实现全面智能化铺平道路

TI公司供稿

如今，无论是发电、转换和配电还是电流的储存与使用，半导体对于打造高效能源生态系统的贡献越来越大。事实上，到2030年，在美国将有80%的能量流通过半导体器件进行传输。

在能源和电源管理领域，“智能化”这一前缀在很久之前就已经被频繁使用，例如含义宽泛的智能电网和智能逆变器等。在用于可替代能源、针对固态变压器的新一代电子、智能电表和很多其它电源应用的普遍电子元器件中，“智能化”的增长趋势也随处可见。

智能电源在过去的20年中不断演变。它最初是指一个电源芯片能够自动地进行操作，以应对所出现的任何情况。而现在，它意味着电源芯片或模块具有更高的智能化程度，并且具备更多“感测、评估和操作”的能力。

也许您已经注意到，目前的充电器不但尺寸越来越小，而且越来越智能。在不影响电池使用寿命的情况下，它拥有了更快的充电速度和更高的效率，同时能够在不同的系统需求下提供最优的功率，并且在不充电时自动关闭。

现代电源管理IC间的通信能够识别运行负载和运行模式，通过自动调节参数来提供最佳的操作性能并部署先进的信号处理算法。这一点与那些在隔离环境下为其余系统提供可靠电压和电流的传统电源模块有显著区别。

智能电源的发展影响巨大，下面就让我们来了解一下值得注意的几个类别和实例。

集中电源

集中电源IC和模块能够感知其它模块与总体系统的需求，因此智能化水平也越来越高。在服务器或基站等目前的系统中，很多电源IC和模块间不仅可以互相通信，还能与系统的其余部分进行通信，以提升各个子系统的电力传输效率。可靠功率转换的重要性意味着实时遥感监测、控制、感测以及功率循环，而所有的这一切都需要通信功能的支持。诸如电源管理总线 (PMBus) 的数字通信接口以及系统管理总线 (SMBus) 和I2C等某些其它协议已经被采用和部署，以便将功率转换模块与总体智能系统控制融合起来。以太网供电 (PoE)、USB Type C和无线电源Qi标准等电力传输协议通过通信来验证受电设备并决定传输的电量。电源系统管理器经常被用来协调系统配电和监控，同时与系统中的不同转换器进行通信。

系统级功率优化

现代手机通常能够根据基站的距离调节辐射功率，以延长电池供电时间并可能降低干扰。事实上，很多系统都可以根据传输的内容快速地调节它们的功率。功率放大器的电源可调制为跟踪无线电信号网络，以提高RF功率放大器的效率。

目前的充电器能够监视储存的电荷、电池化学成分以及电池的温度，并通过自动优化为高效的快速充电提供适当的电流和电压。智能充电器持续监视电池的电荷状态 (SoC) 和健康状态 (SoH)，并且相应地调节充电的电流和电压。

一个服务器中的现代处理器能够将与其操作模式相关的预先警报发送至智能电源管理模块，以实现高效地功率转换管理。此外，处理器还能够将其硬件特性反馈给电源模块，如此一来，它便可以通过自适应电压调节 (AVS) 来为处理器决定正确的电压电平。

实时电源转换器调节

电源转换器正在变得越来越高效。电源转换器通过反馈环路来控制适当的电力传输。开关式电源原本就拥有一个闭合的控制环路，用来决定转换器在瞬时和稳定状态下的性能，而模拟控制环路通常被用于高效的转换器中。虽然之前已经研究了很多针对智能电源的先进自适应控制算法，直到最近才在开关式电源转换器中采用了大量的数字和混合信号环路。

数字化和信号处理的消耗目前处于合理的范围，特别是在更高功率的应用中，效率损失（由额外的数字电路引起）是可以忽略不计的。这个针对混合信号和数字控制的范围从用于比例积分微分 (PID) 控制环路的逻辑电路，到针对更高功率和更精密算法，基于处理器且更为复杂的控制环路。除此之外，为了提升轻负载以及满负载情况下的效率，同时提升动态响应和易用性，十分需要在不同的负载条件下，在运行中调谐功率转换器的参数以优化性能。

许多关键的集成电路和架构创新已经为智能电源管理的蓬勃发展做出了巨大贡献，例如高频软开关、多相位转换器以及涉及信号处理算法的环路控制。同时，半导体工艺技术已经为我们提供了先进的Bipolar CMOS DMOS (BCD) 工艺，可以将模拟、数字和功率器件组合在单个芯片上。更不用说氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 技术在功率晶体管品质方面已经取得了巨大的进步。

随着在能源生态系统中进行电源管理时所面临的挑战逐步增大，半导体行业将越来越关注智能电源的转换，以及如何实现效率的提升。