安森美半導(dǎo)體應(yīng)對(duì)智能電網(wǎng)挑戰(zhàn)的高能效解決方案

多家市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，到2030年，可再生能源(如風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電)在全球能源消費(fèi)總量中所占的份額將大幅上升。倡導(dǎo)節(jié)能減排、綠色發(fā)展對(duì)所有行業(yè)提出了新的要求，迎合低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代的節(jié)能設(shè)計(jì)已成為能源企業(yè)和電子產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。

市場(chǎng)機(jī)遇與挑戰(zhàn)
發(fā)展可再生能源是大勢(shì)所趨。而太陽能和風(fēng)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(dòng)智能電網(wǎng)發(fā)展可以帶來許多優(yōu)勢(shì)，如利用雙向通訊實(shí)現(xiàn)需求對(duì)應(yīng)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(shí)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(dòng)和混合動(dòng)力汽車提供電力；更好地調(diào)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(dòng)態(tài)的費(fèi)率表，幫助客戶優(yōu)化總電能消費(fèi)及電費(fèi)支出，改善客戶服務(wù)；及遠(yuǎn)程讀表及遠(yuǎn)程通電和斷電可以節(jié)省人力成本，提高運(yùn)營效率等。

在推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的共識(shí)下，中國目前正在大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能等產(chǎn)業(yè)，前景看好。其中太陽能領(lǐng)域的技術(shù)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(dǎo)入新一代智能電網(wǎng)而完善電力基礎(chǔ)設(shè)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(biāo)，其中的“堅(jiān)強(qiáng)的智能化電網(wǎng)(Strong＆Smart Grid)”的概念已在上海世博會(huì)展示。

不過，在發(fā)展可再生能源和升級(jí)改造現(xiàn)有電網(wǎng)的同時(shí)，也面臨著不少挑戰(zhàn)。對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)來說，最大的挑戰(zhàn)莫過于能量轉(zhuǎn)換，因?yàn)榘l(fā)展可再生能源的關(guān)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(yīng)用需要高效可靠的太陽能板充電控制器，以及LED驅(qū)動(dòng)器等關(guān)鍵器件，需求相當(dāng)可觀。而智能電網(wǎng)從發(fā)電、配電和現(xiàn)場(chǎng)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(guān)元件(TRIAC)、電力線載波調(diào)制解調(diào)器、濾波、輸入/輸出(I/O)及數(shù)據(jù)保護(hù)、線路驅(qū)動(dòng)器及信號(hào)放大器、LCD背光驅(qū)動(dòng)器、EEPROM存儲(chǔ)器及智能卡接口等。

應(yīng)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(zhuǎn)換能效的方案

近年來，業(yè)界越來越關(guān)注利用可再生清潔能源太陽能的街道照明。對(duì)于太陽能街燈而言，提高太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)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(guān)電子電路(一般采用微控制器來實(shí)現(xiàn))盡可能采用有效的控制方法來提高能效。

安森美半導(dǎo)體的CS51221增強(qiáng)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(bǔ)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(yīng)用電路中，需要為CS51221選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要能夠在一個(gè)蓄電池的情況下將太陽能板輸出電壓降至12V，而在兩個(gè)或多個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在針對(duì)太陽能板充電控制應(yīng)用推出的參考設(shè)計(jì)中，安森美半導(dǎo)體選擇的是反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在應(yīng)用中，通過在ISET引腳動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電流限制，從而實(shí)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(huì)被降低，直至輸入電壓恢復(fù)。這種方式無需使用價(jià)格昂貴的微控制器。這樣實(shí)現(xiàn)的充電控制器會(huì)發(fā)現(xiàn)峰值功率點(diǎn)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使其符合不斷變化的電源特性。實(shí)際上，通過采用最大峰值功率追蹤技術(shù)，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(dǎo)體CS51221控制器的太陽能板充電控制應(yīng)用示意圖。

 
圖1：采用安森美半導(dǎo)體CS51221控制器的太陽能板充電控制應(yīng)用
此外，安森美半導(dǎo)體的NCP3066恒流降壓穩(wěn)壓器也能用于太陽能街燈的LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)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(dāng)今的重要發(fā)展趨勢(shì)。

安森美半導(dǎo)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(zhuǎn)換模擬IC、信號(hào)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(hào)IC(智能卡接口IC、時(shí)鐘及時(shí)序IC)、通信IC(如PLC調(diào)制解調(diào)器)、邏輯IC、存儲(chǔ)器IC，及標(biāo)準(zhǔn)分立器件(保護(hù)、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(shí)間使用了多少電能，便于他們提供差異化的定價(jià)，幫助用戶優(yōu)化其總體電能消費(fèi)和電費(fèi)支出。

安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于智能電表的方案包含一系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品、專用標(biāo)準(zhǔn)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(jì)量、寄存及通信。圖2是由安森美半導(dǎo)體的多種器件(圖中綠色部分)構(gòu)成的智能電表應(yīng)用。
 
圖2：由安森美半導(dǎo)體的多種產(chǎn)品構(gòu)成的智能電表應(yīng)用

全集成電力線載波(PLC)調(diào)制解調(diào)器AMIS-49587是圖2應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵器件。該器件可提供高集成度、符合標(biāo)準(zhǔn)的低功率PLC方案，可應(yīng)用于智能電力自動(dòng)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(dòng)化等領(lǐng)域。AMIS-49587利用安森美半導(dǎo)體的混合信號(hào)技術(shù)，在一個(gè)集成電路中集成了模擬調(diào)制解調(diào)器前端和數(shù)字后處理功能。

AMIS-49587符合IEC1334標(biāo)準(zhǔn)，有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低開發(fā)及應(yīng)用成本，并加速上市進(jìn)程。該器件基于ARM7TDMI處理器內(nèi)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(jìng)爭(zhēng)方案都需要復(fù)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(kuò)頻型移頻鍵控(S-FSK)調(diào)制技術(shù)，結(jié)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(diào)節(jié)通信速率。不到20千赫(kHz)的低工作頻率配以自動(dòng)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(jié)
在政府節(jié)能規(guī)范及各種能效計(jì)劃的推動(dòng)下，可再生能源和新興的智能電表市場(chǎng)增長潛力巨大。在這一過程中，半導(dǎo)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(shì)肩負(fù)重任。

安森美半導(dǎo)體擁有基于先進(jìn)技術(shù)及龐大生產(chǎn)規(guī)模的寬廣產(chǎn)品陣容，應(yīng)對(duì)智能電網(wǎng)的市場(chǎng)機(jī)遇與挑戰(zhàn)，包括標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品、ASSP及ASIC。在技術(shù)上涵蓋了從極高壓(700 V)技術(shù)(用于開發(fā)電源/電源管理中的模擬電源轉(zhuǎn)換IC)，到亞微米0.11 um CMOS技術(shù)(在單個(gè)硅芯片上集成微控制器核心和混合信號(hào)模擬電路)，以及高壓MOSFET、IGBT及整流器。