淺談電力電子技術(shù)在電源節(jié)能穩(wěn)定中的應(yīng)用

孟垚

（長(zhǎng)沙鴻漢電子有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

現(xiàn)如今人們的生活水平和生活需求越來(lái)越高，使他們?cè)陔娏﹄娔芊矫嬗兄玫淖非?，進(jìn)一步導(dǎo)致用電量的顯著增加。由此，人們對(duì)于電源的能耗要求，也與日俱升。既然傳統(tǒng)的電源電子技術(shù)，已然無(wú)法滿(mǎn)足需求，那么就有必要進(jìn)行革新，從而使其符合綠色節(jié)能、環(huán)保高效的理念。

一、當(dāng)今電子技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

（一）高頻率電子鎮(zhèn)流技術(shù)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的電子鎮(zhèn)流器壽命雖然很長(zhǎng)、可靠性也比較強(qiáng)，但是它的體積較大，自身的功率損耗也相對(duì)較大，甚至還具有噪聲，由此可見(jiàn)，這是一種極不節(jié)能的鎮(zhèn)流器。因此，企業(yè)需要積極推進(jìn)節(jié)能型、高頻率的電子鎮(zhèn)流器，其所采用的素材是以低耗能為主的，并具有節(jié)能、功率損耗較低、燈光的效能良好、體積較小、沒(méi)有任何雜音的優(yōu)點(diǎn)。高頻率交流的電子鎮(zhèn)流器在實(shí)際的操作過(guò)程中，得到人們以及各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用。與此同時(shí)，將電力電子技術(shù)與高頻率電子鎮(zhèn)流技術(shù)相融合的時(shí)候，需要根據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)進(jìn)行操作和利用，避免電路在供電的時(shí)候，因?yàn)檎鞫鴮?duì)逆變電路產(chǎn)生諧波的污染。其在高頻工作的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一些電磁的干擾，并對(duì)其他設(shè)備的正常工作造成一些阻礙，另外，在進(jìn)行高頻工作時(shí)，電路中也可能出現(xiàn)三項(xiàng)平衡電網(wǎng)定位、移動(dòng)等眾多的現(xiàn)狀，這對(duì)于電網(wǎng)當(dāng)中的三項(xiàng)平衡狀態(tài)也都造成了十分不利的影響。對(duì)此，在一些不用電子鎮(zhèn)流器的滿(mǎn)功率運(yùn)行下，可以經(jīng)過(guò)調(diào)整光源來(lái)進(jìn)行控制，這樣可以使節(jié)能的優(yōu)勢(shì)作用充分地顯示出來(lái)。調(diào)光控制的這種方法主要特點(diǎn)是指，通過(guò)脈沖的功效使其得到充分發(fā)揮。另外，它可以保證兩個(gè)開(kāi)關(guān)控制的電路一起傳導(dǎo)，并且不會(huì)損壞調(diào)光開(kāi)關(guān)，這樣可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)電力電子器件的控制角，最終調(diào)整輸出波形，并對(duì)輸出電壓進(jìn)行微調(diào)，從而在低速或弱光下，降低電壓時(shí)，可以輸出穩(wěn)定電壓，最后實(shí)現(xiàn)節(jié)能電源的目的。

（二）模塊化

電子硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)生了一場(chǎng)悄然的革命。隨著硅集成的持續(xù)發(fā)展（受摩爾定律的影響），工程師逐漸從主要在組件和電路級(jí)別的開(kāi)發(fā)，轉(zhuǎn)移到電路板、模塊和子系統(tǒng)進(jìn)行更多的合作。不論是在功率器件方面，還是在電源單元方面進(jìn)行模塊化，都大大提高了電子設(shè)計(jì)效率。

（三）數(shù)字化

在計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，鼠標(biāo)靠近紅色文字，可查看分句相似情況數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)質(zhì)更加凸顯，在當(dāng)今所謂的數(shù)字化浪潮已經(jīng)席卷了幾乎所有的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。數(shù)字信號(hào)常用數(shù)碼形式給出，不同的數(shù)碼用來(lái)表示數(shù)量不同的大小，通常我們會(huì)用進(jìn)位計(jì)數(shù)法組成多為數(shù)碼，方便使用。

（四）綠色化

1.光線(xiàn)照明技術(shù)

光纖照明是一種全新的節(jié)能照明形式，因其能夠更好地滿(mǎn)足人們對(duì)光環(huán)境的多種需求，最早應(yīng)用在工業(yè)、建筑物、公共區(qū)域以及自然景觀等眾多生活領(lǐng)域。光纖照明的體系主要由發(fā)光的器件、發(fā)光導(dǎo)體等重要部件組成。光纖照明的基本原理是，當(dāng)光源經(jīng)過(guò)反射鏡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生些許平行的光纖，而使用濾光器可以將其變?yōu)椴噬?。隨后，當(dāng)彩色光移到光前相應(yīng)的位置時(shí)，就可以緊隨光纖移動(dòng)途徑，并將其傳輸至預(yù)定地點(diǎn)。在這種情形之下，需要將每一個(gè)發(fā)光點(diǎn)都控制在最低范圍內(nèi)，并且使其更加接近于光源。光纖照明是應(yīng)用了鏡子以及反光鏡等光學(xué)元件進(jìn)行光的傳遞，從而能夠更好地實(shí)現(xiàn)光的柔性傳遞。與此同時(shí)，光纖在照明下所發(fā)出的光當(dāng)中不包括任何的紅外線(xiàn)與紫外線(xiàn)，并且它們對(duì)于任何東西都沒(méi)有傷害。所以，在光纖照明中采用電子技術(shù)是最安全的一種照明方式。

2.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)

太陽(yáng)的能量是無(wú)限量的，在正常情況下不能進(jìn)行儲(chǔ)存，但可以連續(xù)使用。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種全能的太陽(yáng)能儲(chǔ)存體系。眾所周知，太陽(yáng)能電池是一個(gè)很小的單位，其工作電壓只有0.45V到0.5V，它們是可以獨(dú)立使用的，不可當(dāng)成電源使用。當(dāng)太陽(yáng)能電池連接在一起，它的功率超過(guò)了幾十瓦，乃至上百瓦，同時(shí)組成了一個(gè)太陽(yáng)能的電池組。在這種現(xiàn)狀下，太陽(yáng)能是可以當(dāng)作最小電源進(jìn)一步利用的，假設(shè)合成的太陽(yáng)能電池組再次串聯(lián)、并聯(lián)，則可以組裝成太陽(yáng)能的電池陣列，達(dá)到負(fù)載所需的輸出功率。把太陽(yáng)能的電池陣列、控制器、儲(chǔ)存電流和直流結(jié)合到一起，由此可以構(gòu)建出太陽(yáng)能的光伏發(fā)電體系。這一體系曾在北京奧運(yùn)會(huì)上受到了廣泛的利用，從而發(fā)揮了其綠色環(huán)保的作用。

二、使用電子能源技術(shù)提升電源節(jié)能穩(wěn)定的價(jià)值

（一）能源安全

過(guò)分依賴(lài)能源進(jìn)口，就有可能未來(lái)受制于人，歷史上的幾次石油危機(jī)就是前車(chē)之鑒。因此，有必要對(duì)電源進(jìn)行節(jié)能穩(wěn)定方面的研究，以降低能源出口率，從而提高國(guó)家的能源安全性。

（二）實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)性

對(duì)能源無(wú)節(jié)制的使用，必然導(dǎo)致資源得過(guò)快枯竭?？紤]到當(dāng)今時(shí)代的城市化進(jìn)程，未來(lái)若不對(duì)此進(jìn)行革新，勢(shì)必將會(huì)對(duì)能源的消耗，造成不可逆轉(zhuǎn)的局面。在此種情況下，有必要使用電子能源技術(shù)，提升電源的節(jié)能穩(wěn)定性。

（三）提升環(huán)境承載力

能源使用，尤其是化石能源的燃燒，直接導(dǎo)致空氣、水、土壤的污染。一旦超出環(huán)境能容納的限度，就會(huì)造成不可逆的創(chuàng)傷。所謂水能載舟亦能覆舟，挑戰(zhàn)環(huán)境承載力，就是挑戰(zhàn)人類(lèi)生存的基礎(chǔ)。

（四）應(yīng)對(duì)氣候變化

隨著電源散發(fā)的熱量，對(duì)全球氣候變暖進(jìn)行了一定程度的貢獻(xiàn)。若是不對(duì)此進(jìn)行變革，氣候變化還導(dǎo)致極端氣候的出現(xiàn)、物種的加快消亡等惡劣影響。

三、電子電力技術(shù)在電源節(jié)能穩(wěn)定方面的策略

（一）時(shí)鐘的低功耗設(shè)計(jì)

該方法的設(shè)計(jì)思想就是當(dāng)系統(tǒng)（比如手機(jī)終端）某一部分不工作時(shí)，我們可以控制其時(shí)鐘的翻轉(zhuǎn)，這樣就能節(jié)省一部分功耗。舉個(gè)例子，當(dāng)我們打游戲時(shí)，那么通話(huà)模塊是不工作的，我們可以停掉其時(shí)鐘的翻轉(zhuǎn)，從而節(jié)省功耗，增加手機(jī)的續(xù)航。通常情況下我們是通過(guò)插入 clock gater來(lái)控制時(shí)鐘的翻轉(zhuǎn)，插入clock gater是由綜合工具自動(dòng)完成的。舉個(gè)例子，有如下的RTL always；@(posedge clk)；if (en)；Q<=D；

在做clock gating的時(shí)候要通常注意以下2 點(diǎn)：首先，通?，F(xiàn)在位寬比較大的寄存器加gater 因?yàn)榧觛ater 本身也會(huì)增加面積和功耗，所以要綜合考慮。比如只有一位寄存器，加了gater 省下的功耗還不如gater本身的耗電高，所以不值得。其次，當(dāng)我們加了gater 以后要保證原本的電路功能不變。

（二）電壓域的低功耗設(shè)計(jì)

電壓與功耗有著密切的聯(lián)系。因此功耗的降低可以考慮使用低一點(diǎn)的電壓。多電壓設(shè)計(jì)技術(shù)有三種方式：A：各電壓區(qū)域有固定的電壓；B：各電壓區(qū)域具有固定的多個(gè)電壓，由軟件決定選擇哪一個(gè)電壓；C：自適應(yīng)的方式，各電壓域具有可變的，由軟件決定選擇哪一個(gè)電壓；其中，A 是固定分配的電壓，而B(niǎo) 和C 為動(dòng)態(tài)電壓管理，涉及到軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。這里就要提到DVFS技術(shù)，即動(dòng)態(tài)電壓頻率技術(shù)，是一種通過(guò)將不同電路模塊的工作電壓及工作頻率降低到恰好滿(mǎn)足系統(tǒng)最低要求，來(lái)實(shí)時(shí)降低系統(tǒng)中不同電路模塊功耗的方法。電路模塊中的最大時(shí)鐘頻率和電壓緊密相關(guān)，如果一個(gè)電路能夠估算出它必須做多少工作才能完成當(dāng)前的任務(wù)，那么理論上講就可以將時(shí)鐘頻率調(diào)低到剛好能適時(shí)完成該任務(wù)的水平。降低時(shí)鐘頻率意味著可以同時(shí)降低供電電壓。頻率和電壓同時(shí)降低，功耗就大大降低了。這個(gè)是DVFS的原理。DVFS技術(shù)這個(gè)種方法屬于電壓的動(dòng)態(tài)管理，可以通過(guò)軟件和硬件的方式實(shí)現(xiàn)。

（三）使用不同的多閾值庫(kù)文件

如果想要MOS 管導(dǎo)通，低閾值的cell 需要的導(dǎo)通電壓更低，所以相比高閾值的cell，它導(dǎo)通得更快，與此同時(shí)，它的漏電也越多。所以在做綜合或者PD的時(shí)候，就要想好策略來(lái)平衡速度與功耗。

（四）RTL 低功耗設(shè)計(jì)

在我們做RTL 設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們依然有辦法來(lái)節(jié)省功耗。像是，有一個(gè)典型的pipe line的design，當(dāng)它處于工作模式下，每一個(gè)寄存器在clk的驅(qū)動(dòng)下都在跳動(dòng)。此時(shí)我們可以對(duì)design 做一些改進(jìn)，比如用write_pointer 和read_pointer，普通的pipe 就是數(shù)據(jù)一位一位地傳輸下去，此時(shí)改進(jìn)以后，就是pointer 動(dòng)而pipe 數(shù)據(jù)不動(dòng)，從而減少寄存器翻轉(zhuǎn)次數(shù)。此時(shí)該電路的行為更像ram，我們甚至可以用latch array，因?yàn)閘atch array 面積更小。改進(jìn)后的仿真波形，Q 端的跳動(dòng)將會(huì)大大減少。

（五）采用狀態(tài)編碼，減少翻轉(zhuǎn)活動(dòng)

對(duì)于一些變化非常頻繁的信號(hào)，我們利用數(shù)據(jù)編碼來(lái)降低開(kāi)關(guān)活動(dòng)，例如使用格雷碼比用二進(jìn)制碼翻轉(zhuǎn)更少，功耗更低。

（六）采用低功耗算法

在算法級(jí)降低功耗是非常有價(jià)值的。在設(shè)計(jì)算法時(shí)，要分析該算法需要多少ALU 操作，需要多少次存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)，要盡量使那些耗能多地操作最小化。算法級(jí)低功耗設(shè)計(jì)跟具體設(shè)計(jì)有關(guān)。在一些行為綜合工具中，可采用延時(shí)功耗乘積表示系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)，以降低完成特定計(jì)算所需的狀態(tài)轉(zhuǎn)換數(shù)，生成高效的計(jì)算結(jié)構(gòu)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)電子電力技術(shù)能夠在電源節(jié)能穩(wěn)定方面，成功地起到一定作用后。不僅在驅(qū)動(dòng)當(dāng)今世界的能源發(fā)展方面，有著正向價(jià)值，而且在提升全球質(zhì)量方面，也有著積極影響。當(dāng)然，受限于目前的技術(shù)科技水平，當(dāng)電源的功效降低后，該物品的其他方面也將受到影響，比如面積，性能等。因此，對(duì)功耗的優(yōu)化也要有針對(duì)性，要根據(jù)不同的物品，進(jìn)行特定的考量。在技術(shù)水平?jīng)]有突破性進(jìn)展的當(dāng)下，只有兼顧項(xiàng)目時(shí)間表、工程師資源以及風(fēng)險(xiǎn)的降低功耗，才能夠真正地降低電源功效，實(shí)現(xiàn)綜合提升。