工業(yè)自動(dòng)化仍然是提高效率和節省成本的關(guān)鍵驅動(dòng)力。要想更好地理解為什么是這樣，就需要探討和回顧幾個(gè)發(fā)展趨勢。首先來(lái)看可持續性。

就能量和資源利用效率而言，可持續性是全球制造業(yè)成功的關(guān)鍵因素。人們日益關(guān)注在工廠(chǎng)和各制造業(yè)采用高能效解決方案的問(wèn)題，這也將促進(jìn)可持續制造的實(shí)現。例如，通過(guò) IE3 類(lèi)能效標準，能效問(wèn)題將左右電動(dòng)型汽車(chē)市場(chǎng)的業(yè)務(wù)發(fā)展。[這一分類(lèi)來(lái)自歐洲最新超高效率行業(yè)標準或美國能源獨立與安全法案 (EISA) 的 Nema Premium，Nema Premium 從 2015 年 1 月或 2017 年開(kāi)始適用，這取決于功率等級]。類(lèi)似地，廢水處理和處理泵將主導全球傳統水泵市場(chǎng)的業(yè)務(wù)發(fā)展。

云計算、網(wǎng)絡(luò )安全以及移動(dòng)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等大趨勢對未來(lái)的工廠(chǎng)發(fā)展將起到促進(jìn)作用。相應地，對更高生產(chǎn)效率和更高效率的需求將促使企業(yè)在工廠(chǎng)車(chē)間和跨所有最終用戶(hù)的企業(yè)之間進(jìn)行更多的互動(dòng)。資產(chǎn)管理和靈活的制造也帶動(dòng)了具活力的工廠(chǎng)集成，在工業(yè)應用中，自動(dòng)化和定制化服務(wù)解決方案將有非常大的發(fā)展潛力。

接下來(lái)看一下功耗，因為防止浪費是最大限度減少自然資源消耗的關(guān)鍵。任何系統中的功耗都可以從兩個(gè)方面來(lái)控制。首先，通過(guò)在整個(gè)負載電流范圍內最大限度地提高轉換效率，其次，通過(guò)降低 DC/DC 轉換器在所有工作模式時(shí)吸取的靜態(tài)電流。因此，為了在降低系統功耗方面發(fā)揮積極作用，電源轉換和管理 IC 必須提高效率。也就是說(shuō)，無(wú)論是在輕負載還是在休眠模式，都要降低功耗，并具備非常低的功耗水平。

例如，考慮一下很多工業(yè)自動(dòng)化系統中常見(jiàn)的嵌入式系統。這些嵌入式系統通常通過(guò) 48V 背板供電。這個(gè)電壓通常被降至更低的中間總線(xiàn)電壓，典型值為 12V 至 3.3V，以給系統中一架一架的電路板供電。然而，這些電路板上的大多數子電路或 IC 需要在不到 1V 至 3.3V 的電壓范圍和數十毫安到數百安培的電流范圍內工作。結果，負載點(diǎn) (POL) DC/DC 轉換器電壓必須從中間總線(xiàn)電壓降至子電路或 IC 所需的電壓。這些電壓軌對排序、電壓準確度、裕度調節和監察有嚴格的要求。

既然在數據通信、電信或存儲系統中可能至少有 50 個(gè) POL 電壓軌，因此系統設計師需要一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)管理這些軌的輸出電壓、排序以及允許的最大電流。某些處理器要求其輸入和輸出 (I/O) 電壓在其內核電壓之前上升，而某些數字信號處理器 (DSP) 則要求內核電壓先于其 I/O 上升。此外，斷電排序也是必需的。因此，系統設計師需要一種簡(jiǎn)便的更改方法，以?xún)?yōu)化系統性能，針對每一個(gè) DC/DC 轉換器儲存特定配置，以簡(jiǎn)化設計工作。

另外，為了針對可能出現的過(guò)壓情況保護昂貴的專(zhuān)用集成電路 (ASIC)，高速比較器必須監視每一個(gè)軌的電壓值，一旦某個(gè)軌超出其規定的安全工作限制，就立即采取保護性行動(dòng)。在數字電源系統中，當發(fā)生故障時(shí)，可以通過(guò) PMBus 報警線(xiàn)路通知主機，從屬軌可以關(guān)斷，以保護受電器件，例如 ASIC。實(shí)現這種級別的保護需要合理的準確度和數十微妙量級的響應時(shí)間。

在偉大的創(chuàng )新領(lǐng)域，將創(chuàng )新技術(shù)傳遞到最終用戶(hù)并不總是很容易。人們普遍認為，在新能源和清潔能源(又稱(chēng)為替代能源) 市場(chǎng)，電源管理有很多機會(huì )。盡管我們周?chē)�有大量環(huán)境能源，但傳統能量收集方法一直是用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機。不過(guò)，最新能量收集工具使我們能夠用多種環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉換效率，而是“平均收集到的”并可用來(lái)給電路供電的能量。例如，熱電發(fā)生器將熱量轉換成電力，壓電組件轉換機械振動(dòng)能量，光伏組件轉換太陽(yáng)光或任何光源。這就使得有可能給遠程傳感器供電，或者給存儲器件充電 (例如電容器或薄膜電池)，以便無(wú)需本地電源，就可在偏遠地點(diǎn)給微處理器或發(fā)送器供電。

解決方案

顯然，在應用或最終產(chǎn)品中采用高效率能量管理有很多好處，同時(shí)高效率能量管理還減輕了給寶貴和有限的全球資源帶來(lái)的負擔。這不僅有利于企業(yè)，也有利于環(huán)境。那么，到哪里去找這種合適的產(chǎn)品來(lái)設計這樣的系統呢? 凌力爾特公司就一直在設計和開(kāi)發(fā)很多新的電源管理和轉換 IC，這些 IC 效率更高、具備數字遙測和接口功能、從環(huán)境能源中收集少量能量并具備非常低的靜態(tài)電流。

I2C 等標準串行數字總線(xiàn)的使用使得能夠與采用數字技術(shù)的 DC/DC 轉換器進(jìn)行簡(jiǎn)便和高效率通信，而且 PMBus 等新標準為實(shí)現組件互操作性提供了方便。重要的穩壓器參數 (例如啟動(dòng)特性和定時(shí)、輸出電壓和電流限制、裕度調節規格以及過(guò)壓和欠壓監察限制) 都可以直接以數字方式設定，而無(wú)需用電阻和耗費空間的排序與監視產(chǎn)品設定。此外，關(guān)鍵工作參數 (例如溫度以及輸入和輸出電壓及電流) 都可以定時(shí)監視，并用來(lái)優(yōu)化系統性能和可靠性。

正確部署數字電源以后，可以降低數據中心功耗、加快產(chǎn)品上市、實(shí)現卓越的穩定性和瞬態(tài)響應，并提高網(wǎng)絡(luò )設備等系統的總體可靠性。

現在的情況迫使網(wǎng)絡(luò )設備系統設計師提高系統的數據吞吐量和性能，增加功能和特性。同時(shí)，他們還面臨著(zhù)降低系統總體功耗的壓力。數據中心面對的挑戰是，通過(guò)重新調度工作流程，將作業(yè)轉移到未得到充分利用的服務(wù)器上，以關(guān)掉一些服務(wù)器，從而降低總體功耗。為了滿(mǎn)足這些要求，有必要了解最終用戶(hù)設備的功耗。正確設計的數字電源管理系統可以為用戶(hù)提供功耗數據，允許做出智能能量管理決策。

凌力爾特公司的 LTC388x 系列數字電源 IC 針對關(guān)鍵負載點(diǎn)轉換器功能的實(shí)時(shí)控制和監視提供高分辨率可編程性和快速遙測回讀，因此提供了高度準確的數字電源系統管理。例如，LTC3880 是一款雙輸出高效率同步降壓型 DC/DC 控制器，具備基于 I2C 的PMBus 接口，可使用超過(guò) 100 條命令，有內置 EEPROM。該器件整合了同類(lèi)最佳模擬開(kāi)關(guān)穩壓器控制器和精確的混合信號數據轉換，可實(shí)現無(wú)與倫比的電源系統設計和管理，具易用 GUI 的 LTpowerPlay™ 軟件開(kāi)發(fā)系統支持該器件。

對于在工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器甚至可穿戴技術(shù)應用中進(jìn)行少量能量收集而言，凌力爾特專(zhuān)門(mén)設計了 LTC3331 來(lái)滿(mǎn)足這類(lèi)應用的要求，如圖 1 所示。

圖 1：LTC3331 能量收集器和電池壽命延長(cháng)器

LTC3331 是一款完整的能量收集 (EH) 調節解決方案，提供高達 50mA 的連續輸出電流，以在可收集能量可用時(shí)延長(cháng)電池壽命。當用收集的能量向負載提供穩定功率時(shí)，該器件無(wú)需電池提供電源電流，而在無(wú)負載情況下用電池供電時(shí)，僅需要 950nA 工作電流。LTC3331 集成了一個(gè)高壓能量收集電源，還有一個(gè)由可再充電主電池供電的同步降壓-升壓型 DC/DC 轉換器，這樣就可以為能量收集應用提供一個(gè)不間斷輸出，例如無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn) (WSN) 中的那類(lèi)能量收集應用。

LTC3331 的能量收集電源由一個(gè)適合 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉換器組成，從壓電 (AC)、太陽(yáng)能 (DC) 或磁性 (AC) 能源收集能量。10mA 分流電流允許簡(jiǎn)便地用收集的能量給電池充電，同時(shí)低電池電量斷接功能保護電池免于深度放電�？稍俪潆婋姵貫橥�步降壓-升壓型轉換器供電，該轉換器在 1.8V 至 5.5V 輸入電壓范圍內工作，當收集能量不可用時(shí)，無(wú)論輸入高于、低于或等于輸出，都可用來(lái)調節輸出。當應對微功率電源時(shí)，LTC3331 電池充電器有一項非常重要、不容忽視的電源管理功能。LTC3331 能夠對電池充電器進(jìn)行邏輯控制，因此僅當能量收集電源有多余的能量時(shí)，才會(huì )給電池充電。如果沒(méi)有這種邏輯控制功能，能量收集電源就會(huì )在啟動(dòng)時(shí)卡在某個(gè)非最佳工作點(diǎn)上，不能完成啟動(dòng)過(guò)程以給目標應用供電。當能量收集電源不再可用時(shí)，LTC3331 自動(dòng)轉換為電池供電。這又增加了一個(gè)好處：如果適合的能量收集電源至少在一半時(shí)間內可用，那么就允許電池供電的 WSN 將工作壽命從 10 年延長(cháng)至超過(guò) 20 年，如果能量收集能源更普遍，其壽命甚至能夠延長(cháng)更長(cháng)時(shí)間。該器件還集成了一個(gè)超級電容器平衡器，從而可提高輸出存儲能力。

結論

有很多產(chǎn)品有助于使我們的生活變得更舒適、更有成效、更方便。不過(guò)，代價(jià)之一是，會(huì )耗盡我們的自然資源。然而，社會(huì )不會(huì )不嘗試降低這種潛在的負面影響，就讓這種情況發(fā)生。解決這個(gè)問(wèn)題的一項主要行動(dòng)是負責任地使用我們的能源。最有效的使用方式之一是，對工業(yè)自動(dòng)化系統、通信設備和網(wǎng)絡(luò )基礎設施進(jìn)行高效率能量管理。

不過(guò)，為了實(shí)現這個(gè)目標，需要提供必要的基本構件型電源管理和轉換 IC。幸運的是，由于凌力爾特等公司提供的模擬電源，系統設計師可以針對他們的最終設備做出恰當的選擇。