能为电子系统提供动力的电源模块介绍

据说，具有百年历史的美国电网是地球上最大的互联机器。该电网包括超过9,200台发电机组，发电量超过1,000 GW，并连接超过48万公里的输电线路。然而，在它的历史上，这个网格在任何时候都没有经历如此迅速的变化。

公用事业公司大力投资“智能电网”，通过降低成本，提高效率，为客户提供更大的灵活性以及简化可再生能源的连接，大幅提升能源供应。

实施智能电网需要一系列新技术，包括电网保护，电能质量增强，快速通信，网络安全和消费者监控。这使得这些巨大的机器越来越依赖于支持许多其他领域已经经历的技术革命的电子元件。

本文着眼于电子设计人员为智能电网加快步伐而开放的机遇，然后介绍了主要供应商提供的一系列模块，这些模块专门为电子系统提供动力，满足独特的挑战这些新的电力网络。

电力革命

智能电网革命是由多种因素引发的，包括消费者对价格上涨的反弹，原始能源成本的增加，放松管制以及来自环境游说团体的压力，以限制新的化石燃料发电站的建设。这种中断正在将计算机化，数字通信和双向能量流引入以前极端保守的行业，以显着提升其网络的性能。

虽然智能电网很复杂，但它可以是分为四个关键领域：基础设施，通信，计量和可再生能源。

负责将现有基础设施升级到智能电网状态的工程师反过来关注保护，监控和电能质量。除了电线和电线杆之外，该基础设施还包括“配电自动化”资源，配备有传感器以收集数据，向公用事业公司的网络运营中心发送有关电网状态和性能的信息，以允许运营商从中心位置调整和控制资产。此外，智能电网可自动监控，保护和优化工业用户和国内消费者的配电。智能电网的内置智能还允许在故障情况下快速自动干预，限制停电持续时间。

智能电网和传统网络之间的另一个关键区别是电力在两个方向上流动，公用事业公司可以摆脱集中发电，并鼓励分布式可再生能源，如风力涡轮机和光伏（PV）面板在国内消费者的屋顶上（图1）。智能电网还可以限制系统损耗，从而提高整体效率并有助于减少碳排放和其他污染物的产生 [1] 。

图1：智能电网将采用传统和多样化的发电方式。 （由英飞凌提供）

智能电网信息系统包括电力线通信（PLC），以太网，串行链路以及各种无线技术，包括ZigBee，6LoWPAN和低于1 GHz的连接。

消费者倾向于将智能电网与智能电表相关联 - 家庭监控设备可以为消费者提供有关使用趋势的细粒度数据 - 允许他们修改消费，例如，利用更便宜的关税，并允许公用事业平滑需求高峰。然而，智能电网计量比家庭，工厂和办公室以外的各个设备要多得多。高级计量基础设施（AMI）提供公用事业自动化计费，远程连接/断开单个仪表以及实施需求响应程序所需的双向通信。 AMI网络还提供实时监控电网运行和立即通知停电的能力，以加速公用事业公司的响应。

更重要的是，可再生能源是一项重大挑战，因为发电超越水电和风电场，再到“微电网”，其中包括从太阳能电池板向电网供电的家庭群。逆变器是负责控制构成面板的PV电池和电网之间的电流的关键部件。工程师面临的挑战是如何以高效，可靠和具有成本效益的方式实现这一目标 [2] 。

在美国，有10个州 - 包括加利福尼亚州，佛罗里达州，纽约州，宾夕法尼亚州和德克萨斯州 - 正在引领全国部署该国智能电网的努力。总之，这些州已经获得了美国复苏和再投资法案中用于投资智能电网的45亿美元中的19亿美元。

这种势头将会增加，并且正在推动对这一势头的需求。电子产品是许多智能电网系统的基础。硅供应商通过开发一系列组件做出了反应，这些组件使电子工程师能够设计出支持智能电网应用的产品;这些产品中的每一个都需要一个能够满足智能配电严格要求的电源。

应对停电

除了提高效率外，智能电网的关键优势在于它能够从闪电，大风或树枝落下等因素引起的故障中恢复。公用事业是可以理解的，它可以防止灾难性的失败，例如2003年的东北大停电。这是一次广泛的停电事故，影响了安大略省，加拿大和美国8个州的4500万人。有些人两天都没有电。

智能电网包含断路器等保护设备，可在检测到电流或电压过大等异常事件时切断电源。通过确定故障的位置并利用智能电网实现的双向能量流，公用事业公司可以隔离发生故障的配电线路的小部分，同时使用替代线路快速恢复其余部分的电力。网格。

其中许多保护设备依赖于主要半导体公司的电源。例如，德州仪器（TI）提供小型，12 W电源参考设计，为智能电网断路器中使用的保护继电器供电（图2）。

该设计值得注意，因为它能够处理各种AC和DC输入（24至250 VDC或88至276 VAC），并提供100 V的15 V，800 mA（12 W）输出100 mm外形（使电源适用于必须安装在紧凑型外壳中的保护继电器）。

图2：宽输入 - 德州仪器（TI）保护继电器的范围电源参考设计。

电源采用两级转换器拓扑结构，包括围绕TI TPS40120设计的DC-DC升压（“升压”）稳压器电流模式控制器，形成围绕UCC28740脉冲宽度调制（PWM）控制器设计的准谐振反激式转换器的输入。反激式转换器的输出形成电源的15 V，0.8 A输出。

实现互操作性

在传统的配电网中，基础设施是孤立运行的，没有任何收集有关电网性能或故障原因的信息。智能电网的全面实施要求用智能电子设备（IED）替换这些“哑”设备。除了执行必要的电气任务（例如转换电压，重定向能量流以及在发生故障时隔离电网部分）之外，IED还不断监控电压，电流，电能质量以及可能影响电网性能的其他参数。

此信息在IED之间传递（这样它们可以自动激活以纠正异常网格操作）并返回给操作员（他们可以通过专用通信渠道快速响应需求或中断的高峰和低谷） 。这些通信渠道提供快速可靠的信息传输，依靠有线和无线技术以及互联网，以太网，行业标准和专有协议。

配电行业正在努力采用通信标准实现电网的不同要素之间的互操作性。最受欢迎的标准是IEC 61850，它已经建立用于变电站的通信。 IEC 61850现在正在从变电站扩展到构成智能电网的智能电子设备（IED）。

IEC 61850的优势在于它能够快速交换数据，同时保留信息的原始含义。因此，该标准有望显着增强智能电网基础设施之间的通信和协调。

IEC 61850网关构成了该通信系统的关键部分，TI再次介入设计的芯片使这些产品的电源更容易开发。网关可能需要多个电源管理芯片来处理多个AC和DC输入。图3显示了包含24/48 VDC输入/5 VDC输出开关稳压器，230 VAC输入/5 VDC输出开关稳压器和5 VDC输入/多DC输出低压差线性稳压器的电压转换器示意图（我愿意）。

图3：IEC 61850网关的原理图说明了多电压调节器的要求。 （德州仪器公司提供）

网关电源的另一种选择是电源管理IC（PMIC），如TI TPS69510。 PMIC可接受5 V锂离子电池供电，并提供三个降压（“降压”）转换器，一个升压转换器和八个LDO，旨在支持基于OMAP的应用的特定电源要求。

八个通用LDO为基于OMAP的处理器供电，为系统中的其他设备供电，并为需要这些存储器的应用中的DDR存储器供电供电。

管理消耗

当公用事业维修人员到达他们的家中用智能装置取代陈旧的仪表时，消费者会熟悉智能电网的概念。根据美国能源情报署（EIA）的数据，截至2013年（最近一年有数据），美国电力公司安装了51,924,502个智能电表，其中89％用于住宅客户安装。

智能电表不仅仅是可以远程查询的监控单元。这些智能设备的一个关键优势是提供信息，允许公用事业和消费者管理供需。公用事业公司能够利用这些信息精确地确定需求高峰，并为类似的未来峰值保留发电量。公用事业公司还可以设定“动态”关税，反映任何特定时间的发电和配电成本（和碳含量），或奖励消费者在可再生能源产生大量电力时使用电力。

<消费者甚至可以选择允许电网运营商自动开启和关闭电器的套餐，以帮助维持供需之间几乎每秒的平衡。

智能电表的缺点是他们“永远在线”的要求。每个单位消耗相对较少的电流，但数百万的综合影响是显着的。硅片供应商通过削减其高压电源解决方案的静态电流来应对这些永远在线的非隔离系统，用于智能电表等应用。

多家制造商提供交流 - 直流稳压器，可满足智能电表的严苛要求。例如，意法半导体提供电源模块VIPER06，可在85 V至265 VAC输入电压下工作，并具有800 V功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。该芯片可输出高达8 W的电流，但静态电流仅为几百微安。

就其本身而言，TI最近推出了UCC28880，这是一款用于智能电表应用的AC-DC开关稳压器。 UCC28880将控制器和700 V功率MOSFET集成到一个器件中。该芯片还集成了高压电流源，可直接从整流电源电压启动和运行。

器件的静态电流小于100μA，提高了解决方案的效率。 TI表示，通过使用UCC28880，工程师可以使用最少数量的外部元件设计最常见的稳压器拓扑结构。

公用事业公司还将“集中器”作为其智能计量系统的一部分。集中器从一组智能仪表（例如，单个公寓楼中的那些仪表）收集信息，并在将数据无线传输或通过电力线调制解调器传输到公用设施之前汇总和分析数据。集中器还可用于将信息从中央控制设备发送回智能电表组，并促进维护功能，如软件更新。

除了为智能电表提供电源模块外，意法半导体还满足集中器的功率要求。集中器的功率要求与智能电表的功率要求相似，但由于该设备进行了额外的计算，因此要求更高一些。

意法半导体推出Altair 04-900交流 - 直流开关稳压器集中器应用。它基于准谐振反激式拓扑结构，能够通过电源输入工作，并具有900 V击穿功率级。 Altair具有低待机功耗（约1 mA）和过流保护，可防止变压器饱和和二次二极管短路。该公司还为智能计量应用提供电源参考设计，部件号为STEVAL-ISA105V1（图4）。

图4： STMicroelectronics电源参考设计，适用于智能计量应用。

巨额奖励

在美国和其他发达国家，通过计算机化和通信技术实现数十年的电力基础设施现代化巨大的任务。这项工作的成本将达到数十亿美元，甚至不会因为网格部分升级而导致客户中断。

然而，奖励很棒。智能电网将通过减少系统损失来大幅提高电力系统的效率，使其更容易切换到可再生能源（从而减少对“基本负荷”的需求 - 化石燃料发电能力必须保持永久运行以应对预期的峰值），并使公用事业鼓励消费者通过灵活的关税减少消费。可再生能源的更高效率和更大贡献也有助于当局履行减少碳排放的承诺。

智能电网还可以通过允许运营商快速隔离故障并在问题得到纠正的同时将电力重新路由到尽可能多的消费者来限制因停电造成的中断。

智能电网的成功将严重依赖关于新型硅和创新设计工程师;而这些产品将依赖于满足智能电网应用特殊要求的专用电源模块，如宽输入电压范围和低静态电流。好消息是，已有许多商业化的集成解决方案可供希望从这个利润丰厚的市场领域中分得一杯羹的工程师使用。