應用于智能電網(wǎng)的高能效解決方案示例

　　多家市場調研機構預計，到2030年，可再生能源(如風力發(fā)電和太陽能發(fā)電)在全球能源消費總量中所占的份額將大幅上升。倡導節(jié)能減排、綠色發(fā)展對所有行業(yè)提出了新的要求，迎合低碳經(jīng)濟時代的節(jié)能設計已成為能源企業(yè)和電子產(chǎn)品競爭力的重要體現(xiàn)。

　　市場機遇與挑戰(zhàn)

　　發(fā)展可再生能源是大勢所趨。而太陽能和風力發(fā)電是智能電網(wǎng)的組成部分，同屬于分布式發(fā)電范疇。推動智能電網(wǎng)發(fā)展可以帶來許多優(yōu)勢，如利用雙向通訊實現(xiàn)需求對應管理，緩和用電高峰，快速發(fā)現(xiàn)故障，避免停電事故，從而實現(xiàn)更高能效、可靠性及安全性；智能地整合新的替代能源，并為電動和混合動力汽車提供電力；更好地調整能源供需，更高效地利用發(fā)電廠及電網(wǎng)，減少碳排放量；提供動態(tài)的費率表，幫助客戶優(yōu)化總電能消費及電費支出，改善客戶服務；及遠程讀表及遠程通電和斷電可以節(jié)省人力成本，提高運營效率等。

　　在推進可持續(xù)發(fā)展的共識下，中國目前正在大力發(fā)展太陽能、風能等產(chǎn)業(yè)，前景看好。其中太陽能領域的技術已經(jīng)日趨成熟，太陽能發(fā)電等都獲得了長足發(fā)展，太陽能街道照明也越來越受到青睞。此外，為導入新一代智能電網(wǎng)而完善電力基礎設施，中國政府制訂了到2020年投入4萬億元人民幣的宏偉目標，其中的“堅強的智能化電網(wǎng)(Strong＆Smart Grid)”的概念已在上海世博會展示。

　　不過，在發(fā)展可再生能源和升級改造現(xiàn)有電網(wǎng)的同時，也面臨著不少挑戰(zhàn)。對半導體行業(yè)來說，最大的挑戰(zhàn)莫過于能量轉換，因為發(fā)展可再生能源的關鍵在于優(yōu)化能效。以太陽能供電的LED街道照明為例，這種應用需要高效可靠的太陽能板充電控制器，以及LED驅動器等關鍵器件，需求相當可觀。而智能電網(wǎng)從發(fā)電、配電和現(xiàn)場區(qū)域網(wǎng)到智能電表通信及家庭區(qū)域網(wǎng)，也都需要諸多電子元器件。其中包括功率因數(shù)控制器、交流-直流(AC-DC)和直流-直流(DC-DC)控制器、穩(wěn)壓器、MOSFET、三端雙向可控硅開關元件(TRIAC)、電力線載波調制解調器、濾波、輸入/輸出(I/O)及數(shù)據(jù)保護、線路驅動器及信號放大器、LCD背光驅動器、EEPROM存儲器及智能卡接口等。

　　應用于智能電網(wǎng)的高能效解決方案示例

　　1. 提升太陽能電池板光電轉換能效的方案

　　近年來，業(yè)界越來越關注利用可再生清潔能源太陽能的街道照明。對于太陽能街燈而言，提高太陽能電池板的光電轉換能效非常重要。太陽能電池板的電壓-電流(V-I)特性曲線呈現(xiàn)非線性和可變性，要從中獲取最大量的電能非常困難。這需要太陽能LED街燈的充電控制器及其他相關電子電路(一般采用微控制器來實現(xiàn))盡可能采用有效的控制方法來提高能效。

　　安森美半導體的CS51221增強型電壓模式PWM控制器就是一種可提高太陽能電池板能效的器件。它可以控制太陽能板電池充電，支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能，為太陽能電池不斷變化的V-I特性曲線提供補償，優(yōu)化太陽能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。

　　在應用電路中，需要為CS51221選擇合適的拓撲結構。該拓撲結構要能夠在一個蓄電池的情況下將太陽能板輸出電壓降至12V，而在兩個或多個蓄電池情況下也能輕易修改，支持升壓至24V。CS51221本身能夠配置為正激、反激或升壓拓撲結構。在針對太陽能板充電控制應用推出的參考設計中，安森美半導體選擇的是反激拓撲結構。

　　在應用中，通過在ISET引腳動態(tài)調節(jié)電流限制，從而實現(xiàn)最大峰值功率追蹤功能。一旦輸入電壓逐脈沖下降，電流限制就會被降低，直至輸入電壓恢復。這種方式無需使用價格昂貴的微控制器。這樣實現(xiàn)的充電控制器會發(fā)現(xiàn)峰值功率點并進行動態(tài)調節(jié)，使其符合不斷變化的電源特性。實際上，通過采用最大峰值功率追蹤技術，可以將較以往多30%的電荷從太陽能板傳輸至蓄電池，這樣太陽能街燈系統(tǒng)就可以采用尺寸更小的太陽能板，從而帶來顯著的成本效益。圖1是采用安森美半導體CS51221控制器的太陽能板充電控制應用示意圖。

圖1：采用安森美半導體CS51221控制器的太陽能板充電控制應用

　　此外，安森美半導體的NCP3066恒流降壓穩(wěn)壓器也能用于太陽能街燈的LED驅動應用，提供系統(tǒng)所需的功率及光輸出，并具有極高的能效。

　　2. 智能電網(wǎng)方案

　　今天的電網(wǎng)已變得比以往更大、更安全，具有更高的能效，但其智能化程度仍然偏低，所以智能電網(wǎng)是當今的重要發(fā)展趨勢。

　　安森美半導體已投入并正大量投資智能電網(wǎng)研發(fā)，涵蓋所有產(chǎn)品線，包括電源轉換模擬IC、信號IC(如低噪聲放大器)、功率分立器件(高壓MOSFET、IGBT、整流器)、混合信號IC(智能卡接口IC、時鐘及時序IC)、通信IC(如PLC調制解調器)、邏輯IC、存儲器IC，及標準分立器件(保護、濾波器)。

　　智能電網(wǎng)的核心就是智能電表，借助智能電表，電力公司能夠知道用戶在什么時間使用了多少電能，便于他們提供差異化的定價，幫助用戶優(yōu)化其總體電能消費和電費支出。

　　安森美半導體應用于智能電表的方案包含一系列標準產(chǎn)品、專用標準產(chǎn)品(ASSP)及專用集成電路(ASIC)，可以提供智能電表的4種基本功能，包括：電源/電源管理、計量、寄存及通信。圖2是由安森美半導體的多種器件(圖中綠色部分)構成的智能電表應用。

圖2：由安森美半導體的多種產(chǎn)品構成的智能電表應用

　　全集成電力線載波(PLC)調制解調器AMIS-49587是圖2應用中的一個關鍵器件。該器件可提供高集成度、符合標準的低功率PLC方案，可應用于智能電力自動讀表及管理、街道照明控制、智能電力插頭(Power plug)和建筑物自動化等領域。AMIS-49587利用安森美半導體的混合信號技術，在一個集成電路中集成了模擬調制解調器前端和數(shù)字后處理功能。

　　AMIS-49587符合IEC1334標準，有助于簡化設計、降低開發(fā)及應用成本，并加速上市進程。該器件基于ARM7TDMI處理器內核，包含物理接口收發(fā)器(PHY)和媒體訪問控制器(MAC)層，而大多數(shù)競爭方案都需要復雜的嵌入式軟件來執(zhí)行與AMIS-49587相同的功能。該器件采用擴頻型移頻鍵控(S-FSK)調制技術，結合精確的濾波，為長距離電力線提供可靠的低數(shù)據(jù)率通信，以及2,400 bps(波特)的半雙工可調節(jié)通信速率。不到20千赫(kHz)的低工作頻率配以自動中繼器(repeater)功能，令通信更可靠，通信誤差比其他及現(xiàn)有方案更低。圖3是AMIS-49587的方框圖。

圖3：AMIS-49587方框圖

　　總結

　　在政府節(jié)能規(guī)范及各種能效計劃的推動下，可再生能源和新興的智能電表市場增長潛力巨大。在這一過程中，半導體器件將以其低能耗、高能效、高可靠性、高速度、高智能性、小尺寸等綜合優(yōu)勢肩負重任。

　　安森美半導體擁有基于先進技術及龐大生產(chǎn)規(guī)模的寬廣產(chǎn)品陣容，應對智能電網(wǎng)的市場機遇與挑戰(zhàn)，包括標準產(chǎn)品、ASSP及ASIC。在技術上涵蓋了從極高壓(700 V)技術(用于開發(fā)電源/電源管理中的模擬電源轉換IC)，到亞微米0.11 um CMOS技術(在單個硅芯片上集成微控制器核心和混合信號模擬電路)，以及高壓MOSFET、IGBT及整流器。