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。或者換一種說法——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 4.0 的不斷發展，它作為主導技術的地位得到了保證。

智能電源的由來

如果說PWM的先驅，“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，半導體行業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《電力電子設計手冊低功耗元件和應用》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量時，術語“智能電源”更相關，簡化設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，開發了許多智能電源控制器，以滿足汽車和消費電子行業對環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。

盡管在半導體行業內，智能電源的定義可能已經很明顯，但在電源界內，關于“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出現時，所謂的“數字電源”也是許多討論的主題. 在外交上，Nihal Kulartna 得出的結論是，“智能電源”一詞是出于制度而非技術原因使用的，現在仍然如此。

當數字使電源更智能時！

對于 21 世紀的電力電子設計人員來說，“智能電源”始于數字電源的實施，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化整體性能.

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

關于這些發明者，我想提到一個有趣的事件，當時電力行業正在慢慢考慮使用 SG1524 IC 從線性電源遷移到開關電源。Trey Burns 研究并探索了狀態軌跡控制定律在升壓 DC/DC 轉換器中的應用，他比較了兩種實現方法，一種使用數字處理器，另一種使用模擬計算電路。這項研究的結果在各種會議上發表，但 PESC 1977 被認為是驅動、監測和控制 DC/DC 轉換器和電源的數字方法研究浪潮的起源。

現在有一個軼事，但仍然有趣的是，Trey Burs 構建的一個實驗產品是一個工作在 100Hz 開關頻率的升壓轉換器。現在聽起來很慢，但它必須如此，因為執行每個樣本的數字程序最多需要 450 微秒。數字控制器是 PDP 11/45 微型計算機，升壓轉換器使用 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電源控制數字化方面取得了大量進展，1984 年和 1985 年是數字電源技術演進的第二個基石。

一個例子是 Chris Henze 在 Ned Mohan 的指導下在明尼蘇達大學攻讀博士學位。Chris 于 1985 年在圖盧茲的 PESC 發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 提出的應用程序是代表從純研究到基于微處理器的商業可行應用程序的演變的眾多應用程序之一。

1990 年代后期，TI 以數字信號處理器 C2000 為基礎，開發出第一臺全數字控制的 UPS。使用 DSP 以數字方式控制 UPS 系統的開關和電源管理是數字電源的第一個實際應用。這一實際應用是旨在優化電源數字控制、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，半導體制造商推出了許多具有不同架構的內置數字功能的電源控制器。盡管存在一些現有的 I/O 通信，但電源設計人員認為，電源管理總線 (PMBus) 的推出，將監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

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

超級電容器技術于 1978 年首次由日本電氣公司商業推出，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，可以在更小的封裝中創建大容量存儲。

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，到便攜式設備中內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儲能進入回路時。

結合數字控制和超級電容器的優勢，可以開發非常先進的電力系統（圖 01），能夠動態管理峰值能源需求，減少對電網的影響，并保證戰略組件和工業設備的使用壽命更長. 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。

我們現在有了邁向下一步的基礎，即智能行業的智能電源。

從智能電源IC到智能工業

通常與工業 3.0 向工業 4.0 的遷移相關聯，工廠自動化包含種類繁多的電源解決方案。通常獨立的、為特定設備供電的電源性能受益于新技術，毫無疑問，與最新一代功率半導體和磁性元件相關的數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”，從而優化能源消耗以滿足負載需求，這還不夠，還需要額外的技術。

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和子系統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）發送到集線器過程控制器 (HPC) 的中央數據庫部分進行識別）。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。

一個例子是能量優化的輸送機，它基于一系列由無刷直流電機驅動的皮帶。隨著包裹向前移動，為直流電機供電的每個電力系統（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充電，或調整其他參數，如電壓、電流限制。

非常先進的系統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據發送到搬運機器人以提前預設所有參數。

在所有這些步驟中，電源構成了與 HPC 的生態系統和通信鏈接的一部分。當然，我們談論的是比我們過去習慣的獨立版本復雜得多的電力系統。但是工廠自動化設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絡的一部分。

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新精神的“智能設計師”設計的智能電源供電。

審核編輯 黃昊宇

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