隨著(zhù)電力需求的增加，以及環(huán)境、商業(yè)和立法機構一致要求降低能耗和提高能效，工業(yè)系統的供電方式正發(fā)生巨大變化。汽車(chē)和汽車(chē)元器件工廠(chǎng)、數據中心（又稱(chēng)云）以及可再生能量和儲能系統等工業(yè)系統正變得、也必須繼續變得更加高效和智能化。

讓我們看下工廠(chǎng)

歡迎來(lái)到工業(yè)4.0！工業(yè)4.0也被稱(chēng)為第四次工業(yè)革命、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和智能制造，是用來(lái)描述物理世界與網(wǎng)絡(luò )世界匯合的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。圖1簡(jiǎn)述了四次工業(yè)革命。

圖1：四次工業(yè)革命。圖片來(lái)自領(lǐng)英（Kris Seeburn）。

工業(yè)4.0承諾以更少的人為干預提供生產(chǎn)力和效率更高的工廠(chǎng)。計算機和自動(dòng)化的結合使得網(wǎng)絡(luò )物理系統能夠監控工廠(chǎng)的物理過(guò)程，并做出分散決策，這一切都是在有很少人工操控的情況下完成的。然而，為了實(shí)現工業(yè)4.0的承諾，這些智能互聯(lián)的工廠(chǎng)需要一種更好的新方法來(lái)為它們提供動(dòng)力?；叵胍幌?，無(wú)論何時(shí)將高電壓轉換為低電壓，由于轉換時(shí)效率低，總會(huì )有一些能量損耗。因此，這種能耗可以通過(guò)以下方法來(lái)降低：(1)盡可能降低必須轉換電壓的次數；(2)提高此電壓轉換的效率。

例如，Intersil這家專(zhuān)注于電源管理IC的半導體公司推出了一款產(chǎn)品，實(shí)現了降壓次數的減少。根據Intersil的文章“Powering Industrial Systems”，他們看到一個(gè)行業(yè)趨勢是，其客戶(hù)正在轉向更高電壓的配電總線(xiàn)。傳統上，設計人員是從42V或36V總線(xiàn)逐步降低到12V甚至8V中間總線(xiàn)，然后再直接降低到負載點(diǎn)（POL）電壓。然而，那些使用更高電壓系統總線(xiàn)的設計人員，現在想要取消中間總線(xiàn)，直接從48V轉換到POL?！被谶@一趨勢，Intersil（現被瑞薩收購）開(kāi)發(fā)了ISL8117同步降壓PWM控制器，它允許“從48V直接降壓轉換到1V POL，并省去了DC/DC轉換器，可節省成本，提高可靠性，并將效率提高2%到3%?！闭堄涀?，通過(guò)僅僅加大系統總線(xiàn)電壓，隨之所用的電流變小，可進(jìn)一步降低功耗。

圖2：通過(guò)取消中間降壓級來(lái)提高能效。圖片來(lái)自Intersil。

為提高DC/DC轉換效率，Intersil的電源模塊通過(guò)將DC/DC降壓轉換器完全集成在一個(gè)封裝內，降低了功耗。這種全集成包括：轉換器的控制器、功率FET、輸出電感和補償電路。這種設計方法最大限度地減少了外部元件數和轉換器設計本身的復雜性。ISL8215M是Intersil的一款電源模塊，它具有可調節輸出電壓及非常高的效率（高達96.5%）。

改進(jìn)電機控制器設計是提高能效和可靠性、支持簡(jiǎn)化設計和縮短系統設計時(shí)間的另一個(gè)領(lǐng)域。安森美半導體為實(shí)現這些目標采取了一種單封裝的集成解決方案（稱(chēng)為模塊）。根據安森美半導體的文章“Motor Drive Modules Support Rapid Design Cycles and Enhanced Efficiency and Reliability”，這些模塊已“預先優(yōu)化”，考慮并解決了EMI等重要問(wèn)題。而且通過(guò)將所有半導體器件集成到一個(gè)封裝內，還緩解了散熱問(wèn)題，減小了PCB空間。

雖然這種集成模塊解決方案有時(shí)被市場(chǎng)稱(chēng)為Intelligent Power Module（IPM，智能電源模塊），但安森美半導體將這些模塊稱(chēng)為Smart Power Module（SPM）。雖然其SPM產(chǎn)品線(xiàn)專(zhuān)為中低功率工業(yè)應用而設計，但安森美半導體還提供一系列電源集成模塊（PIM），這些模塊是面向工業(yè)電機控制、不間斷電源（UPS）和太陽(yáng)能逆變器等大功率工業(yè)應用的模塊化解決方案。

數據中心和云

根據Fortune.com的數據，2010至2014年，數據中心的能量使用量?jì)H增長(cháng)了4%。與2005到2010年24%的增長(cháng)相比，4%的增長(cháng)實(shí)際上相當??；而在2000到2005年間，更是增加了90%。然而，令人印象更深刻的是，在2014到2020年間，數據中心的預期能耗將再次僅增長(cháng)4%。根據伯克利實(shí)驗室發(fā)表的題為“Data Centers Continue to Proliferate While Their Energy Use Plateaus”的文章，2010至2020年服務(wù)器總量預計將增長(cháng)40%。因此，4%的能耗增長(cháng)實(shí)際上是個(gè)巨大成就。這歸功于大型互聯(lián)網(wǎng)公司（如谷歌、亞馬遜和Facebook）始終專(zhuān)注于提高數據中心運行效率所做的努力。圖3顯示了2000至2020年間的數據中心總電力消耗（預測）。

圖3：數據中心總耗電量與時(shí)間對比。圖片來(lái)自Intersil。

如果你好奇這些互聯(lián)網(wǎng)巨頭如何能降低如此多的能耗，無(wú)疑，這不是單憑一個(gè)想法或一種改進(jìn)。相反，有許多變化（有些頗具創(chuàng )新性）使得這些可觀(guān)的節能成就成為可能，其中包括：

·	新數據中心的設計要求使用外部空氣進(jìn)行冷卻，而不是使用耗電的空調來(lái)冷卻服務(wù)器?！?數據中心采用了高能效軟件?！?對服務(wù)器進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設計，以在負荷不大時(shí)自動(dòng)切換到低功耗狀態(tài)?！?服務(wù)器需求更少。由于服務(wù)器被設計得功能更強大、效率高得多，各公司采用了服務(wù)器虛擬化技術(shù)，可以更多地利用每個(gè)服務(wù)器的總容量。

根據Fortune.com上刊登的“Data Centers Are No Longer The Energy Hogs They Once Were”文章，Facebook將一些富有想象力的想法（盡管這些想法現在看起來(lái)相當平淡無(wú)奇）應用到了俄勒岡州普林維爾市的數據中心中，這些例子包括：雨水回收、為辦公區提供電能的太陽(yáng)能裝置、重新利用服務(wù)器產(chǎn)生的熱量來(lái)加熱辦公區等功能。

可再生能量和能量存儲

根據美國能源部國家可再生能源實(shí)驗室（NREL）的“Renewable Electricity Futures Study”報告，使用目前市場(chǎng)上提供的商用技術(shù)，再加上更靈活的電氣系統，到2050年，美國可再生發(fā)電產(chǎn)生的電量將占全美總發(fā)電量的80%。如果這項研究結果得以實(shí)現，那么整個(gè)行業(yè)就會(huì )為在工廠(chǎng)中更好地準備好依靠可再生能源?！皽蕚浜谩卑蕚浜脩獙赡艿耐ｋ?。根據德州儀器的說(shuō)法，可再生能源已被證明是未來(lái)的重要能量來(lái)源，但全天持續供電的問(wèn)題依然存在。

現在看能量存儲。使用能量?jì)Υ嬖O施以及可再生能源，即使在接收到的陽(yáng)光量減少、風(fēng)力減弱或即使沒(méi)風(fēng)的情況下，也可以保持一致的能量輸送。根據德州儀器的“Battery Management Solutions for Energy Storage Systems”指南，“能量存儲系統通常包括兩類(lèi)應用：應急能量應用和電網(wǎng)存儲應用?！钡轮輧x器繼續解釋說(shuō)，應急能量應用只需要備用電源維持很短的一段時(shí)間來(lái)執行一組任務(wù)。相比之下，電網(wǎng)存儲應用需要備用電源維持較長(cháng)的時(shí)間，直到（理想地）恢復主電源為止。為幫助客戶(hù)（現在和未來(lái)）設計自己的電源管理系統，德州儀器提供了“Power Management Guide”。

工廠(chǎng)利用可再生能源（特別是太陽(yáng)能）的一個(gè)很好例子是特斯拉的Gigafactory（見(jiàn)圖4）。根據TheVerge.com，Gigafactory將使用屋頂安裝的能夠產(chǎn)生70MW電力的太陽(yáng)能電池陣列。另?yè)蘒nc.com，Gigafactory將擁有凈零排放和碳中和制造。目前令人印象深刻！

圖4：特斯拉的Gigafactory的渲染圖，它使用一個(gè)屋頂安裝的70MW太陽(yáng)能電池陣列。圖片來(lái)自Tesla。

總結

無(wú)論你喜不喜歡，工業(yè)系統供電的方法正在發(fā)生巨大變化。從工廠(chǎng)到數據中心和云計算，再到可再生能源和儲能方案，我們將會(huì )看到許多形態(tài)，而且眼下正在見(jiàn)證這些重大變化。這些例子包括使用高效電壓轉換器和集成電源模塊、采用高能效軟件以及使用電源和電池管理指南和元件。