降低設(shè)備功耗的方法——精確測(cè)量

有人預(yù)言，全世界的能量需求很可能超出了所供給的能量。美國(guó)能源部估計(jì)，預(yù)計(jì)美國(guó)總的能源消耗在2035年將增加30%，達(dá)到5萬(wàn)億千瓦，而在同一時(shí)期計(jì)劃開(kāi)發(fā)的能源，包括可再生能源，增長(zhǎng)率僅有22%。

此外，對(duì)能源管理的策略則是非常原始和低效的，結(jié)果降低了能源分配過(guò)程中的可靠性和穩(wěn)定性。工程師們正努力改善所有電子產(chǎn)品中能量的利用效率，包括商用設(shè)備、家用設(shè)備、工業(yè)電機(jī)，以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。然而，也需要知道在一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中能量是怎樣被消耗來(lái)產(chǎn)生有益作用和減少浪費(fèi)的。改善效率只是眾多因素中的一個(gè)。改變消費(fèi)者對(duì)效率的不關(guān)心可以通過(guò)功耗智能監(jiān)視來(lái)實(shí)現(xiàn)，它可以給出節(jié)能的選擇。

精確的功耗測(cè)量和持續(xù)監(jiān)視產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以提交給本地?cái)?shù)據(jù)和控制網(wǎng)絡(luò)。一旦數(shù)據(jù)到達(dá)網(wǎng)絡(luò)，許多種經(jīng)過(guò)最低程度折中的功率消耗改進(jìn)措施可以自動(dòng)給出。實(shí)際上，這樣的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可以指導(dǎo)我們改善生活方式，例如當(dāng)空調(diào)發(fā)生故障時(shí)不會(huì)讓人感到無(wú)法理解。

精確測(cè)量將提供理解、確認(rèn)、報(bào)告和修正設(shè)備功率消耗或功率分配所必須的信息。消費(fèi)者需要準(zhǔn)備好應(yīng)對(duì)在電費(fèi)帳單結(jié)算方式和如何平衡選擇所盡義務(wù)等方面不可避免的變化。當(dāng)我們要時(shí)常面對(duì)每千瓦時(shí)3.00美元的電費(fèi)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么呢？這一天正在到來(lái)。

在每個(gè)負(fù)載點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和控制
為了通過(guò)智能功率管理和消費(fèi)者的選擇來(lái)取得高效率，不僅需要精確測(cè)量設(shè)備的總體功率，例如整個(gè)設(shè)備消耗的總功率，而且也需要在負(fù)載點(diǎn)處進(jìn)行精確測(cè)量，例如空調(diào)、洗碗機(jī)、計(jì)算機(jī)，或者照明燈具等。

智能電表可以按天計(jì)量電力消耗，這為消費(fèi)者提供了改變他們用電模式的最好方法。為了改善自動(dòng)控制方式，需要為消費(fèi)者提供各種選擇和增值服務(wù)，每個(gè)設(shè)備必須被連接到本地?cái)?shù)據(jù)和控制網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)視并允許控制建筑物內(nèi)的各種負(fù)載。通過(guò)功率測(cè)量和使用方式統(tǒng)計(jì)，就可以為消費(fèi)者提供相應(yīng)的服務(wù)，例如維護(hù)調(diào)度。 這樣的網(wǎng)絡(luò)可以使用各種各樣的配置和協(xié)議實(shí)現(xiàn)，完全取決于應(yīng)用。

通過(guò)識(shí)別電能是怎樣使用的，包括精確功率測(cè)量的本地?cái)?shù)據(jù)和控制網(wǎng)絡(luò)可以為消費(fèi)者和商業(yè)用戶降低高額的費(fèi)用。用戶可以看到使用空調(diào)的費(fèi)用大約是每月200美元（使用價(jià)值），或者與中午使用干燥機(jī)而不是下午7點(diǎn)使用的費(fèi)用差異（使用的時(shí)間價(jià)值）更可能改變他們的使用方式。

這些在以前只能通過(guò)昂貴高端儀表采集到的每個(gè)負(fù)載點(diǎn)數(shù)據(jù)現(xiàn)在只需要幾美元。功率因數(shù)（Power Factor:PF）和視在功率（apparent power:VA）信息可以很容易地獲得，這些參數(shù)能夠用于優(yōu)化功率分配預(yù)算，例如預(yù)測(cè)設(shè)備維護(hù)時(shí)間，以及理解陳舊系統(tǒng)的疲勞程度。

圖1描述了一臺(tái)使用兩種不同電源適配器供電的筆記本電腦的功率消耗。即使實(shí)際負(fù)載一樣，從電力線上供應(yīng)的功率也有很大的不同。這些有價(jià)值的信息現(xiàn)在都可以非常容易地獲得。統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以用于調(diào)整設(shè)備的工作行為。在電壓或線路頻率上的微小降落都有可能預(yù)示著某種供電故障，都會(huì)使設(shè)備進(jìn)入保護(hù)模式。

圖1 使用兩種不同電源適配器的筆記本電腦在上電、穩(wěn)定工作和下電狀態(tài)下的功率曲線
 

交流電壓的過(guò)零信息也可以用于定時(shí)，這可以減少繼電器觸點(diǎn)分離和閉合時(shí)產(chǎn)生的電弧。當(dāng)這些信息以低成本和低功耗的方式獲得時(shí)，就可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行許多種改進(jìn)。當(dāng)從定性評(píng)估過(guò)度到定量測(cè)量時(shí)，投資的回報(bào)也更容易量化和控制，因此精確測(cè)量就非常必要了。圖2描述了一個(gè)非常容易使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖2 一種使用78M6612 SoC芯片、基于USB接口的電源插座監(jiān)視演示設(shè)備

準(zhǔn)確度的重要性
智能功率管理算法的實(shí)現(xiàn)需要清楚描述實(shí)際功率消耗和實(shí)際的需要，這就要求測(cè)量具有相當(dāng)高的精度。目前，片上系統(tǒng)已經(jīng)非常普遍，它使每個(gè)設(shè)備都具備了成為智能儀表的能力。例如，Teridian公司的78M6612交流功率監(jiān)視SoC可以測(cè)量10mA～20A的電流，而且從-40℃～+85℃溫度范圍內(nèi)的測(cè)量誤差低于0.5%。

達(dá)到很高的測(cè)量準(zhǔn)確度需要高分辨率、高精度和很寬的動(dòng)態(tài)范圍。許多通用MCU在測(cè)量準(zhǔn)確度方面受到限制，因?yàn)樗鼈冎挥?0或12位的ADC。而78M6612有一個(gè)22位的ADC，動(dòng)態(tài)范圍和準(zhǔn)確度也非常高。動(dòng)態(tài)范圍影響的不僅僅是準(zhǔn)確度。跨越很寬動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行測(cè)量允許相同的電路監(jiān)視不同領(lǐng)域的應(yīng)用，從而使成本更低。