如今，無(wú)論是發(fā)電、轉(zhuǎn)換和配電還是電流的儲(chǔ)存與使用，半導(dǎo)體對(duì)于打造高效能源生態(tài)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)越來越大。事實(shí)上，到2030年，在美國(guó)將有80%的能量流通過半導(dǎo)體器件進(jìn)行傳輸。

在能源和電源管理領(lǐng)域，“智能化”這一前綴在很久之前就已經(jīng)被頻繁使用，例如含義寬泛的智能電網(wǎng)和智能逆變器等。在用于可替代能源、針對(duì)固態(tài)變壓器的新一代電子、智能電表和很多其它電源應(yīng)用的普遍電子元器件中，“智能化”的增長(zhǎng)趨勢(shì)也隨處可見。

智能電源在過去的20年中不斷演變。它最初是指一個(gè)電源芯片能夠自動(dòng)地進(jìn)行操作，以應(yīng)對(duì)所出現(xiàn)的任何情況。而現(xiàn)在，它意味著電源芯片或模塊具有更高的智能化程度，并且具備更多“感測(cè)、評(píng)估和操作”的能力。

也許您已經(jīng)注意到，目前的充電器不但尺寸越來越小，而且越來越智能。在不影響電池使用壽命的情況下，它擁有了更快的充電速度和更高的效率，同時(shí)能夠在不同的系統(tǒng)需求下提供最優(yōu)的功率，并且在不充電時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。

現(xiàn)代電源管理IC間的通信能夠識(shí)別運(yùn)行負(fù)載和運(yùn)行模式，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)來提供最佳的操作性能并部署先進(jìn)的信號(hào)處理算法。這一點(diǎn)與那些在隔離環(huán)境下為其余系統(tǒng)提供可靠電壓和電流的傳統(tǒng)電源模塊有顯著區(qū)別。

智能電源的發(fā)展影響巨大，下面就讓我們來了解一下值得注意的幾個(gè)類別和實(shí)例。

集中電源

集中電源IC和模塊能夠感知其它模塊與總體系統(tǒng)的需求，因此智能化水平也越來越高。在服務(wù)器或基站等目前的系統(tǒng)中，很多電源IC和模塊間不僅可以互相通信，還能與系統(tǒng)的其余部分進(jìn)行通信，以提升各個(gè)子系統(tǒng)的電力傳輸效率。可靠功率轉(zhuǎn)換的重要性意味著實(shí)時(shí)遙感監(jiān)測(cè)、控制、感測(cè)以及功率循環(huán)，而所有的這一切都需要通信功能的支持。諸如電源管理總線 (PMBus) 的數(shù)字通信接口以及系統(tǒng)管理總線 (SMBus) 和I2C等某些其它協(xié)議已經(jīng)被采用和部署，以便將功率轉(zhuǎn)換模塊與總體智能系統(tǒng)控制融合起來。以太網(wǎng)供電 (PoE)、USB Type C和無(wú)線電源Qi標(biāo)準(zhǔn)等電力傳輸協(xié)議通過通信來驗(yàn)證受電設(shè)備并決定傳輸?shù)碾娏?。電源系統(tǒng)管理器經(jīng)常被用來協(xié)調(diào)系統(tǒng)配電和監(jiān)控，同時(shí)與系統(tǒng)中的不同轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通信。

系統(tǒng)級(jí)功率優(yōu)化

現(xiàn)代手機(jī)通常能夠根據(jù)基站的距離調(diào)節(jié)輻射功率，以延長(zhǎng)電池供電時(shí)間并可能降低干擾。事實(shí)上，很多系統(tǒng)都可以根據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容快速地調(diào)節(jié)它們的功率。功率放大器的電源可調(diào)制為跟蹤無(wú)線電信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，以提高RF功率放大器的效率。

目前的充電器能夠監(jiān)視儲(chǔ)存的電荷、電池化學(xué)成分以及電池的溫度，并通過自動(dòng)優(yōu)化為高效的快速充電提供適當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷骸Ｖ悄艹潆娖鞒掷m(xù)監(jiān)視電池的電荷狀態(tài) (SoC) 和健康狀態(tài) (SoH)，并且相應(yīng)地調(diào)節(jié)充電的電流和電壓。

一個(gè)服務(wù)器中的現(xiàn)代處理器能夠?qū)⑴c其操作模式相關(guān)的預(yù)先警報(bào)發(fā)送至智能電源管理模塊，以實(shí)現(xiàn)高效地功率轉(zhuǎn)換管理。此外，處理器還能夠?qū)⑵溆布匦苑答伣o電源模塊，如此一來，它便可以通過自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié) (AVS) 來為處理器決定正確的電壓電平。

實(shí)時(shí)電源轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)

電源轉(zhuǎn)換器正在變得越來越高效。電源轉(zhuǎn)換器通過反饋環(huán)路來控制適當(dāng)?shù)碾娏鬏?。開關(guān)式電源原本就擁有一個(gè)閉合的控制環(huán)路，用來決定轉(zhuǎn)換器在瞬時(shí)和穩(wěn)定狀態(tài)下的性能，而模擬控制環(huán)路通常被用于高效的轉(zhuǎn)換器中。雖然之前已經(jīng)研究了很多針對(duì)智能電源的先進(jìn)自適應(yīng)控制算法，直到最近才在開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換器中采用了大量的數(shù)字和混合信號(hào)環(huán)路。

數(shù)字化和信號(hào)處理的消耗目前處于合理的范圍，特別是在更高功率的應(yīng)用中，效率損失(由額外的數(shù)字電路引起)是可以忽略不計(jì)的。這個(gè)針對(duì)混合信號(hào)和數(shù)字控制的范圍從用于比例積分微分 (PID) 控制環(huán)路的邏輯電路，到針對(duì)更高功率和更精密算法，基于處理器且更為復(fù)雜的控制環(huán)路。除此之外，為了提升輕負(fù)載以及滿負(fù)載情況下的效率，同時(shí)提升動(dòng)態(tài)響應(yīng)和易用性，十分需要在不同的負(fù)載條件下，在運(yùn)行中調(diào)諧功率轉(zhuǎn)換器的參數(shù)以優(yōu)化性能。

許多關(guān)鍵的集成電路和架構(gòu)創(chuàng)新已經(jīng)為智能電源管理的蓬勃發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，例如高頻軟開關(guān)、多相位轉(zhuǎn)換器以及涉及信號(hào)處理算法的環(huán)路控制。同時(shí)，半導(dǎo)體工藝技術(shù)已經(jīng)為我們提供了先進(jìn)的BipolarCMOS DMOS (BCD) 工藝，可以將模擬、數(shù)字和功率器件組合在單個(gè)芯片上。更不用說氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 技術(shù)在功率晶體管品質(zhì)方面已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。

隨著在能源生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行電源管理時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)逐步增大，半導(dǎo)體行業(yè)將越來越關(guān)注智能電源的轉(zhuǎn)換，以及如何實(shí)現(xiàn)效率的提升。