电源电子技术在降低能耗的应用

来源：职称阁分类：电子论文时间：2020-02-17 19:48热度：

　　近几年，国家对节能降耗、绿色环保更加重视，为电源电子系统的发展提出了新的要求。在现代电子系统中，数据库趋近完善，且数据处理的实际效率明显提升，相对应的，电子设备的集成化更高、体积逐渐缩小。在此基础上,电子设备的能耗也有所降低。特别是对于一些终端产品来说，其内部电路、系统的集成度更高，所产生的热量也相对较大，因此落实合理的热管理设计极为必要，避免能耗增加。

电源电子技术在降低能耗的应用

　　1电源电子技术的概述

　　1.1电源的种类

　　依托电流状态的不同，可以将电源划分为交流稳压电源以及直流稳定电源两种。其中，对于交流稳压电源来说，能够进一步细化为参数调整（谐振）型、自耦（变比）调整型、开关型交流稳压电源几种；对于直流稳定电源来说，能够进一步细化为化学电源、线性稳定电源、开关型直流稳压电源几种。而对于开关型直流稳压电源而言，其包含的电源类型更多，包括通信电源、电台电源、模块电源、特种电源等等。除了上述两种类型之外，结合条件的不同，电源也能够划分出不同的种类类型。例如，依托输入输出状态的差异性，能够将电源划分为DC-DC、AC-AC、DC-AC、AC-DC几种；依托工作运行状态的差异性，能够将电源划分为开关电源、线性电源、二极管稳压电源几种；依托输出电压调整方式的差异性，能够将电源划分为可调电源、固定电源几种；依托负载连接稳压方式的差异性，能够将电源划分为并联型稳压电源、串联型稳压电源几种。在当前电子技术迅速发展的条件下，电源种类划分的界定也相对模糊。对于不同的电子设备来说，其使用的电源种类也不尽相同。现阶段，最常用应用于电力电子设备中的电源类型主要包括：317、337系列可调电源；78、79系列固定电源等等。对于开关电源来说，由于其有着更小的体积与更高的效率，所以得到了广泛应用；对于线性电源来说，由于其体积相对较大、效率偏低，更重要的是难以实现自动化，因此逐渐被新型电源替代。

　　1.2电源电子技术的发展

　　1.2.1发展历程第一阶段，整流器时代。在二十世纪六七十年代，大功率硅整流管以及晶闸管得以普及性使用，标志着电源电子技术逐步受到人们的关注。第二阶段，逆变器时代。受到能源危机的影响，整流器已经无法满足当时人们的实际需求，推动着变频调速技术迅速发展。依托变频调速技术，当时的能源危机得以缓解，此时，电源电子技术及其设备得到了普及性的使用(唐林.电源电子技术在降低能耗中的探讨[J].电子测试,2019(18).)。第三阶段，变频器时代。在八十年代后期，集成电路技术使用规模扩大，且实现了与高压大电流技术的融合，推动了现代电源电子技术的更新，为该技术的高频化发展提供支持。1.2.2发展趋势第一，高频化。现阶段，功率电子设备的工作频率有所提升，促使了电源电子技术的更新，推动着高频电子设备固态化。第二，模块化。科学技术的更新促使现代电源电子技术逐渐呈现出模块化的状态，并在实际的设计中，积极与智能化功率模块连接，提升整体电子设备系统的功能性。第三，数字化。目前，多数电源电子技术建设均需要模拟电路的支持。同时，受到互联网技术更新的影响，电源电子技术的数字化是必然趋势。第四，绿色化。为了缓解当前资源紧张的情况，展开电源电子技术的应用能耗降低、推动技术器极其设备的绿色化发展是必然选择。

　　2应用电源电子技术落实能耗降低的必要性分析

　　在全球化进程加速的背景下，我国经济迅速发展，对于能源的实际需求量显著增长。与此同时，能源危机、环境污染问题随之产生，且呈现出逐年加剧的情况。现阶段，能源消耗问题受到了世界范围内人们的广泛关注。为了应对能源危机，必须要更新电源电子技术，以此促进电子产品的能源转换率提升，实现能源损耗的降低，避免在待机状态下产生多大的能耗。对于我国而言，受到人口因素、发展因素等因素的影响，对于电能的依赖性极强，且有着更高的使用量。相对应的，电能的实际使用效率并未得到显著提升。电联快报公布的数据显示，截止到2018年末，我国的能源消耗量已经达到46.4亿标准煤。其中，电力消费比2017年同期增长了8.5%，这样的增长速度再次突破历史数据，创进7年的新高；全国范围内，电能的使用量达到了6.84万亿千瓦时。同时，资料显示，我国的电能消耗并非全部用于生产与生活实际，一部分电力消耗存在于系统的内部(杨波,胡鑫,边党伟.现代电源技术的应用和发展[J].通信电源技术,2019,36(08))。总体而言，我国的电能消耗量极大，年度增长率呈现逐年递增的状态。与此同时，部门能耗发生在系统内部，并非全部投入实际应用。因此，应用电源电子技术的更新推动能耗降低极为必要。在信息化、数字化时代背景下，电源电子技术已经逐步由分离晶体管时代转向集成电路时代。在这样的情况下，人们对电源电子技术及其系统有着更高的要求，而传统的电源电子技术及其设备难以满足现实功能要求以及电能需求量。同时，部分电力电子设备存在性能问题，主要为电源效率偏低且安全性不高。这样的运行方式与目前世界范围内倡导的绿色环保、节能减排理念相斥。基于此，落实电源电子技术的更新以实现能耗降低是当前与未来发展的主流趋势，也是必然选择。

　　3面向电子系统低能耗的电源电子技术策略探究

　　3.1CPU低功耗电源

　　当前，世界范围内已经进入了信息化时代。在这样的背景下，使用的CPU系统有着更低的功耗，能对电源低功耗的电源接口、管理模块或是高级配置等单元提供软硬件支持。依托低功耗的CPU系统，可以完成多个电源转换模块以及外部元件的有效控制，并保证系统的安全可靠程度，进一步降低电能的损耗。就目前的情况来看，已然实现了电源接口、高级配置以及电源低功耗管理模块的创新使用，并将其引入I/O以及CPU系统功能内核中，促进了电能使用效率的提升。在FPGA系统以及嵌入式系统中，应用这样的系统（电源接口、高级配置以及电源低功耗管理模块结合使用）不仅能够降低电源功耗，还能够促使运行效率提升，有着更好的应用效果。需要注意的是，能耗的降低量与系统内部资源使用频率、输出变化频率、工作时钟频率、布线密度等参数有着紧密的联系。由于这些参数的不同，处于不同系统中的电源实际消耗能量的大小也存在差异，节能效果也不尽相同。

　　3.2静态与动态电源低功耗

　　对于静态电源低功耗来说，其主要实现了在系统初始化条件下，完成对电源的低功耗管理。此时，依托系统初始化的展开，系统的功能以及管理模式均不断明确。对于动态电源低功耗来说，其主要实现了在CPU系统运行的条件下，完成对电源的低功耗管理。在这一过程中，实现了在系统繁忙的时间段，可以一定程度的提升CPU的实际运行速度；而在系统相对空闲的时间段，可以控制CPU系统稳定在休眠状态下。通过这样的方式，能够促进系统运行平均电流与电压的降低。与此同时，还可以在保证电压、电流不变的条件下，推动降低能耗时间的减少，以此达到促使整个系统能耗降低的目标。通常情况下，在程序运行的过程中，静态电源管理只能够在初始化的过程汇总完成能耗的确定以及降低；而对于动态电源管理来说，能够在程序运行的过程中实现对整个系统能耗的全过程管控，有着更好的降耗效果(罗四平.关于电力电子技术在开关电源中的应用分析[J].城市建设理论研究(电子版),2019(11))。因此，动态电源管理在当前的使用更加广泛与常见。

　　3.3低功耗集成电路

　　就当前的情况来看，电路的集成化程度越来越高，推动着电源电子技术逐渐转向低功耗集成电路的发展方向，并形成了更为先进的电源电子技术，包括低压差性稳压技术、78或79系列的电源稳压集成电路等等。其中，对于电源稳压集成电路来说，其集成度相对较高、电路体积更小，同时，负载调整率更高、线性调整率更大。基于这样的优势，电源稳压集成电路在实际的使用中的电路形式相对简单。此时，只需要在输出正负直流电压的过程中着重关注变压器的最小输出电压、最小输出功率，就能够在保证电路稳定运行的基础上，达到能耗降低的效果。对于应用低压差性稳压技术来说，其在实际的使用中电源输入、输出之间所具备的电压差值相对偏低。通常情况下，在传统线性稳压技术的支持下，输入、输出之间所具备的电压差值普遍稳定在2-3V的范围内；而在低压差性稳压技术的支持下，输入、输出之间所具备的电压差值普遍维持在1.7V左右，有着更低的数值。由此能够看出，由于电源输入电压与输出电压之间的差值有所降低，因此依托低压差性稳压技术能够更有效的降低集成电路所消耗的实际功率，达到节能的效果。

　　总结：

　　综上所述，结合当前的能源使用情况以及现实需求来看，推动电源电子技术绿色化发展、落实能耗降低设计是主流发展趋势，也是技术及其设备发展的必然选择。通过开发、应用CPU低功耗电源、静态与动态电源低功耗（特别是动态电源管理）、低功耗集成电路，实现了在保证电源稳定运行的基础上，达到能耗降低的效果，减少了对环境的污染程度，与当前绿色环保的发展需求相匹配。

　　作者：姚煜单位：中国船舶重工集团第七一五研究所

文章名称：电源电子技术在降低能耗的应用

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