应用于智能电网的高能效解决方案

市场机遇与挑战

发展可再生能源是大势所趋。而太阳能和风力发电是智能电网的组成部分，同属于分布式发电范畴。推动智能电网发展可以带来许多优势，如利用双向通讯实现需求对应管理，缓和用电高峰，快速发现故障，避免停电事故，从而实现更高能效、可靠性及安全性；智能地整合新的替代能源，并为电动和混合动力汽车提供电力；更好地调整能源供需，更高效地利用发电厂及电网，减少碳排放量；提供动态的费率表，帮助客户优化总电能消费及电费支出，改善客户服务；及远程读表及远程通电和断电可以节省人力成本，提高运营效率等。

在推进可持续发展的共识下，中国目前正在大力发展太阳能、风能等产业，前景看好。其中太阳能领域的技术已经日趋成熟，太阳能发电等都获得了长足发展，太阳能街道照明也越来越受到青睐。此外，为导入新一代智能电网而完善电力基础设施，中国政府制订了到2020年投入4万亿元人民币的宏伟目标，其中的“坚强的智能化电网(Strong＆Smart Grid)”的概念已在上海世博会展示。

不过，在发展可再生能源和升级改造现有电网的同时，也面临着不少挑战。对半导体行业来说，最大的挑战莫过于能量转换，因为发展可再生能源的关键在于优化能效。以太阳能供电的LED街道照明为例，这种应用需要高效可靠的太阳能板充电控制器，以及LED驱动器等关键器件，需求相当可观。而智能电网从发电、配电和现场区域网到智能电表通信及家庭区域网，也都需要诸多电子元器件。其中包括功率因数控制器、交流-直流(AC/DC)和直流-直流(DC/DC)控制器、稳压器、MOSFET、三端双向可控硅开关元件(TRIAC)、电力线载波调制解调器、滤波、输入/输出(I/O)及数据保护、线路驱动器及信号放大器、LCD背光驱动器、EEPROM存储器及智能卡接口等。

应用于智能电网的高能效解决方案示例

1. 提升太阳能电池板光电转换能效的方案

近年来，业界越来越关注利用可再生清洁能源太阳能的街道照明。对于太阳能街灯而言，提高太阳能电池板的光电转换能效非常重要。太阳能电池板的电压-电流(V-I)特性曲线呈现非线性和可变性，要从中获取最大量的电能非常困难。这需要太阳能LED街灯的充电控制器及其他相关电子电路(一般采用微控制器来实现)尽可能采用有效的控制方法来提高能效。

安森美半导体的CS51221增强型电压模式PWM控制器就是一种可提高太阳能电池板能效的器件。它可以控制太阳能板电池充电，支持最大峰值功率追踪(MPPT)功能，为太阳能电池不断变化的V-I特性曲线提供补偿，优化太阳能电池的功率输出，提高能效，并使蓄电池充电至优化电量。

在应用电路中，需要为CS51221选择合适的拓扑结构。该拓扑结构要能够在一个蓄电池的情况下将太阳能板输出电压降至12V，而在两个或多个蓄电池情况下也能轻易修改，支持升压至24V。CS51221本身能够配置为正激、反激或升压拓扑结构。在针对太阳能板充电控制应用推出的参考设计中，安森美半导体选择的是反激拓扑结构。

在应用中，通过在ISET引脚动态调节电流限制，从而实现最大峰值功率追踪功能。一旦输入电压逐脉冲下降，电流限制就会被降低，直至输入电压恢复。这种方式无需使用价格昂贵的微控制器。这样实现的充电控制器会发现峰值功率点并进行动态调节，使其符合不断变化的电源特性。实际上，通过采用最大峰值功率追踪技术，可以将较以往多30%的电荷从太阳能板传输至蓄电池，这样太阳能街灯系统就可以采用尺寸更小的太阳能板，从而带来显著的成本效益。图1是采用安森美半导体CS51221控制器的太阳能板充电控制应用示意图。

图1：采用安森美半导体CS51221控制器的太阳能板充电控制应用

此外，安森美半导体的NCP3066恒流降压稳压器也能用于太阳能街灯的LED驱动应用，提供系统所需的功率及光输出，并具有极高的能效。

2. 智能电网方案

今天的电网已变得比以往更大、更安全，具有更高的能效，但其智能化程度仍然偏低，所以智能电网是当今的重要发展趋势。

安森美半导体已投入并正大量投资智能电网研发，涵盖所有产品线，包括电源转换模拟IC、信号IC(如低噪声放大器)、功率分立器件(高压MOSFET、IGBT、整流器)、混合信号IC(智能卡接口IC、时钟及时序IC)、通信IC(如PLC调制解调器)、逻辑IC、存储器IC，及标准分立器件(保护、滤波器)。

智能电网的核心就是智能电表，借助智能电表，电力公司能够知道用户在什么时间使用了多少电能，便于他们提供差异化的定价，帮助用户优化其总体电能消费和电费支出。

安森美半导体应用于智能电表的方案包含一系列标准产品、专用标准产品(ASSP)及专用集成电路(ASIC)，可以提供智能电表的4种基本功能，包括：电源/电源管理、计量、寄存及通信。图2是由安森美半导体的多种器件(图中绿色部分)构成的智能电表应用。

图2：由安森美半导体的多种产品构成的智能电表应用

全集成电力线载波(PLC)调制解调器AMIS-49587是图2应用中的一个关键器件。该器件可提供高集成度、符合标准的低功率PLC方案，可应用于智能电力自动读表及管理、街道照明控制、智能电力插头(power plug)和建筑物自动化等领域。AMIS-49587利用安森美半导体的混合信号技术，在一个集成电路中集成了模拟调制解调器前端和数字后处理功能。

AMIS-49587符合IEC1334标准，有助于简化设计、降低开发及应用成本，并加速上市进程。该器件基于ARM7TDMI处理器内核，包含物理接口收发器(PHY)和媒体访问控制器(MAC)层，而大多数竞争方案都需要复杂的嵌入式软件来执行与AMIS-49587相同的功能。该器件采用扩频型移频键控(S-FSK)调制技术，结合精确的滤波，为长距离电力线提供可靠的低数据率通信，以及2,400bps(波特)的半双工可调节通信速率。不到20千赫(kHz)的低工作频率配以自动中继器(repeater)功能，令通信更可靠，通信误差比其他及现有方案更低。图3是AMIS-49587的方框图。

图3：AMIS-49587方框图

本文小结

在政府节能规范及各种能效计划的推动下，可再生能源和新兴的智能电表市场增长潜力巨大。在这一过程中，半导体器件将以其低能耗、高能效、高可靠性、高速度、高智能性、小尺寸等综合优势肩负重任。

安森美半导体拥有基于先进技术及庞大生产规模的宽广产品阵容，应对智能电网的市场机遇与挑战，包括标准产品、ASSP及ASIC。在技术上涵盖了从极高压(700V)技术(用于开发电源/电源管理中的模拟电源转换IC)，到亚微米0.11μm CMOS技术(在单个硅芯片上集成微控制器核心和混合信号模拟电路)，以及高压MOSFET、IGBT及整流器。

供稿：安森美半导体