降低設備功耗的方法――精確測量

有人預言，全世界的能量需求很可能超出了所供給的能量。美國能源部估計，預計美國總的能源消耗在2035年將增加30%，達到5萬億千瓦，而在同一時期計劃開發(fā)的能源，包括可再生能源，增長率僅有22%。

此外，對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，包括商用設備、家用設備、工業(yè)電機，以及網(wǎng)絡設備。然而，也需要知道在一個閉環(huán)系統(tǒng)中能量是怎樣被消耗來產(chǎn)生有益作用和減少浪費的。改善效率只是眾多因素中的一個。改變消費者對效率的不關心可以通過功耗智能監(jiān)視來實現(xiàn)，它可以給出節(jié)能的選擇。

精確的功耗測量和持續(xù)監(jiān)視產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以提交給本地數(shù)據(jù)和控制網(wǎng)絡。一旦數(shù)據(jù)到達網(wǎng)絡，許多種經(jīng)過最低程度折中的功率消耗改進措施可以自動給出。實際上，這樣的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡可以指導我們改善生活方式，例如當空調(diào)發(fā)生故障時不會讓人感到無法理解。

精確測量將提供理解、確認、報告和修正設備功率消耗或功率分配所必須的信息。消費者需要準備好應對在電費帳單結(jié)算方式和如何平衡選擇所盡義務等方面不可避免的變化。當我們要時常面對每千瓦時3.00美元的電費時，會發(fā)生什么呢?這一天正在到來。

在每個負載點進行測量和控制

為了通過智能功率管理和消費者的選擇來取得高效率，不僅需要精確測量設備的總體功率，例如整個設備消耗的總功率，而且也需要在負載點處進行精確測量，例如空調(diào)、洗碗機、計算機，或者照明燈具等。

智能電表可以按天計量電力消耗，這為消費者提供了改變他們用電模式的最好方法。為了改善自動控制方式，需要為消費者提供各種選擇和增值服務，每個設備必須被連接到本地數(shù)據(jù)和控制網(wǎng)絡，用于監(jiān)視并允許控制建筑物內(nèi)的各種負載。通過功率測量和使用方式統(tǒng)計，就可以為消費者提供相應的服務，例如維護調(diào)度。 這樣的網(wǎng)絡可以使用各種各樣的配置和協(xié)議實現(xiàn)，完全取決于應用。

通過識別電能是怎樣使用的，包括精確功率測量的本地數(shù)據(jù)和控制網(wǎng)絡可以為消費者和商業(yè)用戶降低高額的費用。用戶可以看到使用空調(diào)的費用大約是每月200美元(使用價值)，或者與中午使用干燥機而不是下午7點使用的費用差異(使用的時間價值)更可能改變他們的使用方式。

這些在以前只能通過昂貴高端儀表采集到的每個負載點數(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)化功率分配預算，例如預測設備維護時間，以及理解陳舊系統(tǒng)的疲勞程度。

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

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

交流電壓的過零信息也可以用于定時，這可以減少繼電器觸點分離和閉合時產(chǎn)生的電弧。當這些信息以低成本和低功耗的方式獲得時，就可以對設備進行許多種改進。當從定性評估過度到定量測量時，投資的回報也更容易量化和控制，因此精確測量就非常必要了。圖2描述了一個非常容易使用的數(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)視演示設備

準確度的重要性

智能功率管理算法的實現(xiàn)需要清楚描述實際功率消耗和實際的需要，這就要求測量具有相當高的精度。目前，片上系統(tǒng)已經(jīng)非常普遍，它使每個設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可以測量10mA～20A的電流，而且從-40℃～+85℃溫度范圍內(nèi)的測量誤差低于0.5%。

達到很高的測量準確度需要高分辨率、高精度和很寬的動態(tài)范圍。許多通用MCU在測量準確度方面受到限制，因為它們只有10或12位的ADC。而78M6612有一個22位的ADC，動態(tài)范圍和準確度也非常高。動態(tài)范圍影響的不僅僅是準確度。跨越很寬動態(tài)范圍進行測量允許相同的電路監(jiān)視不同領域的應用，從而使成本更低。