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

（長沙鴻漢電子有限公司，湖南 長沙 410000）

現(xiàn)如今人們的生活水平和生活需求越來越高，使他們在電力電能方面有著更好的追求，進一步導(dǎo)致用電量的顯著增加。由此，人們對于電源的能耗要求，也與日俱升。既然傳統(tǒng)的電源電子技術(shù)，已然無法滿足需求，那么就有必要進行革新，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、可靠性也比較強，但是它的體積較大，自身的功率損耗也相對較大，甚至還具有噪聲，由此可見，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、沒有任何雜音的優(yōu)點。高頻率交流的電子鎮(zhèn)流器在實際的操作過程中，得到人們以及各個領(lǐng)域的廣泛使用。與此同時，將電力電子技術(shù)與高頻率電子鎮(zhèn)流技術(shù)相融合的時候，需要根據(jù)其優(yōu)缺點來進行操作和利用，避免電路在供電的時候，因為整流而對逆變電路產(chǎn)生諧波的污染。其在高頻工作的過程中，會出現(xiàn)一些電磁的干擾，并對其他設(shè)備的正常工作造成一些阻礙，另外，在進行高頻工作時，電路中也可能出現(xiàn)三項平衡電網(wǎng)定位、移動等眾多的現(xiàn)狀，這對于電網(wǎng)當(dāng)中的三項平衡狀態(tài)也都造成了十分不利的影響。對此，在一些不用電子鎮(zhèn)流器的滿功率運行下，可以經(jīng)過調(diào)整光源來進行控制，這樣可以使節(jié)能的優(yōu)勢作用充分地顯示出來。調(diào)光控制的這種方法主要特點是指，通過脈沖的功效使其得到充分發(fā)揮。另外，它可以保證兩個開關(guān)控制的電路一起傳導(dǎo)，并且不會損壞調(diào)光開關(guān)，這樣可以進一步調(diào)節(jié)電力電子器件的控制角，最終調(diào)整輸出波形，并對輸出電壓進行微調(diào)，從而在低速或弱光下，降低電壓時，可以輸出穩(wěn)定電壓，最后實現(xiàn)節(jié)能電源的目的。

（二）模塊化

電子硬件設(shè)計領(lǐng)域發(fā)生了一場悄然的革命。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別的開發(fā)，轉(zhuǎn)移到電路板、模塊和子系統(tǒng)進行更多的合作。不論是在功率器件方面，還是在電源單元方面進行模塊化，都大大提高了電子設(shè)計效率。

（三）數(shù)字化

在計算機科學(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)字信號常用數(shù)碼形式給出，不同的數(shù)碼用來表示數(shù)量不同的大小，通常我們會用進位計數(shù)法組成多為數(shù)碼，方便使用。

（四）綠色化

1.光線照明技術(shù)

光纖照明是一種全新的節(jié)能照明形式，因其能夠更好地滿足人們對光環(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)過反射鏡時，會產(chǎn)生些許平行的光纖，而使用濾光器可以將其變?yōu)椴噬狻ｋS后，當(dāng)彩色光移到光前相應(yīng)的位置時，就可以緊隨光纖移動途徑，并將其傳輸至預(yù)定地點。在這種情形之下，需要將每一個發(fā)光點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)元件進行光的傳遞，從而能夠更好地實現(xiàn)光的柔性傳遞。與此同時，光纖在照明下所發(fā)出的光當(dāng)中不包括任何的紅外線與紫外線，并且它們對于任何東西都沒有傷害。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.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

太陽的能量是無限量的，在正常情況下不能進行儲存，但可以連續(xù)使用。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種全能的太陽能儲存體系。眾所周知，太陽能電池是一個很小的單位，其工作電壓只有0.45V到0.5V，它們是可以獨立使用的，不可當(dāng)成電源使用。當(dāng)太陽能電池連接在一起，它的功率超過了幾十瓦，乃至上百瓦，同時組成了一個太陽能的電池組。在這種現(xiàn)狀下，太陽能是可以當(dāng)作最小電源進一步利用的，假設(shè)合成的太陽能電池組再次串聯(lián)、并聯(lián)，則可以組裝成太陽能的電池陣列，達到負(fù)載所需的輸出功率。把太陽能的電池陣列、控制器、儲存電流和直流結(jié)合到一起，由此可以構(gòu)建出太陽能的光伏發(fā)電體系。這一體系曾在北京奧運會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)定的價值

（一）能源安全

過分依賴能源進口，就有可能未來受制于人，歷史上的幾次石油危機就是前車之鑒。因此，有必要對電源進行節(jié)能穩(wěn)定方面的研究，以降低能源出口率，從而提高國家的能源安全性。

（二）實現(xiàn)資源可持續(xù)性

對能源無節(jié)制的使用，必然導(dǎo)致資源得過快枯竭?？紤]到當(dāng)今時代的城市化進程，未來若不對此進行革新，勢必將會對能源的消耗，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)人類生存的基礎(chǔ)。

（四）應(yīng)對氣候變化

隨著電源散發(fā)的熱量，對全球氣候變暖進行了一定程度的貢獻。若是不對此進行變革，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）時鐘的低功耗設(shè)計

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

在做clock gating的時候要通常注意以下2 點：首先，通常現(xiàn)在位寬比較大的寄存器加gater 因為加gater 本身也會增加面積和功耗，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

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的電壓。多電壓設(shè)計技術(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)域具有固定的多個電壓，由軟件決定選擇哪一個電壓；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電壓；其中，A 是固定分配的電壓，而B 和C 為動態(tài)電壓管理，涉及到軟硬件協(xié)同設(shè)計。這里就要提到DVFS技術(shù)，即動態(tài)電壓頻率技術(shù)，是一種通過將不同電路模塊的工作電壓及工作頻率降低到恰好滿足系統(tǒng)最低要求，來實時降低系統(tǒng)中不同電路模塊功耗的方法。電路模塊中的最大時鐘頻率和電壓緊密相關(guān)，如果一個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鐘頻率調(diào)低到剛好能適時完成該任務(wù)的水平。降低時鐘頻率意味著可以同時降低供電電壓。頻率和電壓同時降低，功耗就大大降低了。這個是DVFS的原理。DVFS技術(shù)這個種方法屬于電壓的動態(tài)管理，可以通過軟件和硬件的方式實現(xiàn)。

（三）使用不同的多閾值庫文件

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，它的漏電也越多。所以在做綜合或者PD的時候，就要想好策略來平衡速度與功耗。

（四）RTL 低功耗設(shè)計

在我們做RTL 設(shè)計的時候，我們依然有辦法來節(jié)省功耗。像是，有一個典型的pipe line的design，當(dāng)它處于工作模式下，每一個寄存器在clk的驅(qū)動下都在跳動。此時我們可以對design 做一些改進，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，此時改進以后，就是pointer 動而pipe 數(shù)據(jù)不動，從而減少寄存器翻轉(zhuǎn)次數(shù)。此時該電路的行為更像ram，我們甚至可以用latch array，因為latch array 面積更小。改進后的仿真波形，Q 端的跳動將會大大減少。

（五）采用狀態(tài)編碼，減少翻轉(zhuǎn)活動

對于一些變化非常頻繁的信號，我們利用數(shù)據(jù)編碼來降低開關(guān)活動，例如使用格雷碼比用二進制碼翻轉(zhuǎn)更少，功耗更低。

（六）采用低功耗算法

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

結(jié)語

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)動當(dāng)今世界的能源發(fā)展方面，有著正向價值，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，對功耗的優(yōu)化也要有針對性，要根據(jù)不同的物品，進行特定的考量。在技術(shù)水平?jīng)]有突破性進展的當(dāng)下，只有兼顧項目時間表、工程師資源以及風(fēng)險的降低功耗，才能夠真正地降低電源功效，實現(xiàn)綜合提升。