浅谈电力电子技术在电源节能稳定中的应用

孟垚

（长沙鸿汉电子有限公司，湖南 长沙 410000）

现如今人们的生活水平和生活需求越来越高，使他们在电力电能方面有着更好的追求，进一步导致用电量的显著增加。由此，人们对于电源的能耗要求，也与日俱升。既然传统的电源电子技术，已然无法满足需求，那么就有必要进行革新，从而使其符合绿色节能、环保高效的理念。

一、当今电子技术发展现状

（一）高频率电子镇流技术的应用

传统的电子镇流器寿命虽然很长、可靠性也比较强，但是它的体积较大，自身的功率损耗也相对较大，甚至还具有噪声，由此可见，这是一种极不节能的镇流器。因此，企业需要积极推进节能型、高频率的电子镇流器，其所采用的素材是以低耗能为主的，并具有节能、功率损耗较低、灯光的效能良好、体积较小、没有任何杂音的优点。高频率交流的电子镇流器在实际的操作过程中，得到人们以及各个领域的广泛使用。与此同时，将电力电子技术与高频率电子镇流技术相融合的时候，需要根据其优缺点来进行操作和利用，避免电路在供电的时候，因为整流而对逆变电路产生谐波的污染。其在高频工作的过程中，会出现一些电磁的干扰，并对其他设备的正常工作造成一些阻碍，另外，在进行高频工作时，电路中也可能出现三项平衡电网定位、移动等众多的现状，这对于电网当中的三项平衡状态也都造成了十分不利的影响。对此，在一些不用电子镇流器的满功率运行下，可以经过调整光源来进行控制，这样可以使节能的优势作用充分地显示出来。调光控制的这种方法主要特点是指，通过脉冲的功效使其得到充分发挥。另外，它可以保证两个开关控制的电路一起传导，并且不会损坏调光开关，这样可以进一步调节电力电子器件的控制角，最终调整输出波形，并对输出电压进行微调，从而在低速或弱光下，降低电压时，可以输出稳定电压，最后实现节能电源的目的。

（二）模块化

电子硬件设计领域发生了一场悄然的革命。随着硅集成的持续发展（受摩尔定律的影响），工程师逐渐从主要在组件和电路级别的开发，转移到电路板、模块和子系统进行更多的合作。不论是在功率器件方面，还是在电源单元方面进行模块化，都大大提高了电子设计效率。

（三）数字化

在计算机科学和技术迅猛发展的今天，鼠标靠近红色文字，可查看分句相似情况数字信号处理的优质更加凸显，在当今所谓的数字化浪潮已经席卷了几乎所有的电子技术应用领域。数字信号常用数码形式给出，不同的数码用来表示数量不同的大小，通常我们会用进位计数法组成多为数码，方便使用。

（四）绿色化

1.光线照明技术

光纤照明是一种全新的节能照明形式，因其能够更好地满足人们对光环境的多种需求，最早应用在工业、建筑物、公共区域以及自然景观等众多生活领域。光纤照明的体系主要由发光的器件、发光导体等重要部件组成。光纤照明的基本原理是，当光源经过反射镜时，会产生些许平行的光纤，而使用滤光器可以将其变为彩色光。随后，当彩色光移到光前相应的位置时，就可以紧随光纤移动途径，并将其传输至预定地点。在这种情形之下，需要将每一个发光点都控制在最低范围内，并且使其更加接近于光源。光纤照明是应用了镜子以及反光镜等光学元件进行光的传递，从而能够更好地实现光的柔性传递。与此同时，光纤在照明下所发出的光当中不包括任何的红外线与紫外线，并且它们对于任何东西都没有伤害。所以，在光纤照明中采用电子技术是最安全的一种照明方式。

2.太阳能光伏发电技术

太阳的能量是无限量的，在正常情况下不能进行储存，但可以连续使用。太阳能光伏发电系统是一种全能的太阳能储存体系。众所周知，太阳能电池是一个很小的单位，其工作电压只有0.45V到0.5V，它们是可以独立使用的，不可当成电源使用。当太阳能电池连接在一起，它的功率超过了几十瓦，乃至上百瓦，同时组成了一个太阳能的电池组。在这种现状下，太阳能是可以当作最小电源进一步利用的，假设合成的太阳能电池组再次串联、并联，则可以组装成太阳能的电池阵列，达到负载所需的输出功率。把太阳能的电池阵列、控制器、储存电流和直流结合到一起，由此可以构建出太阳能的光伏发电体系。这一体系曾在北京奥运会上受到了广泛的利用，从而发挥了其绿色环保的作用。

二、使用电子能源技术提升电源节能稳定的价值

（一）能源安全

过分依赖能源进口，就有可能未来受制于人，历史上的几次石油危机就是前车之鉴。因此，有必要对电源进行节能稳定方面的研究，以降低能源出口率，从而提高国家的能源安全性。

（二）实现资源可持续性

对能源无节制的使用，必然导致资源得过快枯竭。考虑到当今时代的城市化进程，未来若不对此进行革新，势必将会对能源的消耗，造成不可逆转的局面。在此种情况下，有必要使用电子能源技术，提升电源的节能稳定性。

（三）提升环境承载力

能源使用，尤其是化石能源的燃烧，直接导致空气、水、土壤的污染。一旦超出环境能容纳的限度，就会造成不可逆的创伤。所谓水能载舟亦能覆舟，挑战环境承载力，就是挑战人类生存的基础。

（四）应对气候变化

随着电源散发的热量，对全球气候变暖进行了一定程度的贡献。若是不对此进行变革，气候变化还导致极端气候的出现、物种的加快消亡等恶劣影响。

三、电子电力技术在电源节能稳定方面的策略

（一）时钟的低功耗设计

该方法的设计思想就是当系统（比如手机终端）某一部分不工作时，我们可以控制其时钟的翻转，这样就能节省一部分功耗。举个例子，当我们打游戏时，那么通话模块是不工作的，我们可以停掉其时钟的翻转，从而节省功耗，增加手机的续航。通常情况下我们是通过插入 clock gater来控制时钟的翻转，插入clock gater是由综合工具自动完成的。举个例子，有如下的RTL always；@(posedge clk)；if (en)；Q<=D；

在做clock gating的时候要通常注意以下2 点：首先，通常现在位宽比较大的寄存器加gater 因为加gater 本身也会增加面积和功耗，所以要综合考虑。比如只有一位寄存器，加了gater 省下的功耗还不如gater本身的耗电高，所以不值得。其次，当我们加了gater 以后要保证原本的电路功能不变。

（二）电压域的低功耗设计

电压与功耗有着密切的联系。因此功耗的降低可以考虑使用低一点的电压。多电压设计技术有三种方式：A：各电压区域有固定的电压；B：各电压区域具有固定的多个电压，由软件决定选择哪一个电压；C：自适应的方式，各电压域具有可变的，由软件决定选择哪一个电压；其中，A 是固定分配的电压，而B 和C 为动态电压管理，涉及到软硬件协同设计。这里就要提到DVFS技术，即动态电压频率技术，是一种通过将不同电路模块的工作电压及工作频率降低到恰好满足系统最低要求，来实时降低系统中不同电路模块功耗的方法。电路模块中的最大时钟频率和电压紧密相关，如果一个电路能够估算出它必须做多少工作才能完成当前的任务，那么理论上讲就可以将时钟频率调低到刚好能适时完成该任务的水平。降低时钟频率意味着可以同时降低供电电压。频率和电压同时降低，功耗就大大降低了。这个是DVFS的原理。DVFS技术这个种方法属于电压的动态管理，可以通过软件和硬件的方式实现。

（三）使用不同的多阈值库文件

如果想要MOS 管导通，低阈值的cell 需要的导通电压更低，所以相比高阈值的cell，它导通得更快，与此同时，它的漏电也越多。所以在做综合或者PD的时候，就要想好策略来平衡速度与功耗。

（四）RTL 低功耗设计

在我们做RTL 设计的时候，我们依然有办法来节省功耗。像是，有一个典型的pipe line的design，当它处于工作模式下，每一个寄存器在clk的驱动下都在跳动。此时我们可以对design 做一些改进，比如用write_pointer 和read_pointer，普通的pipe 就是数据一位一位地传输下去，此时改进以后，就是pointer 动而pipe 数据不动，从而减少寄存器翻转次数。此时该电路的行为更像ram，我们甚至可以用latch array，因为latch array 面积更小。改进后的仿真波形，Q 端的跳动将会大大减少。

（五）采用状态编码，减少翻转活动

对于一些变化非常频繁的信号，我们利用数据编码来降低开关活动，例如使用格雷码比用二进制码翻转更少，功耗更低。

（六）采用低功耗算法

在算法级降低功耗是非常有价值的。在设计算法时，要分析该算法需要多少ALU 操作，需要多少次存储器访问，要尽量使那些耗能多地操作最小化。算法级低功耗设计跟具体设计有关。在一些行为综合工具中，可采用延时功耗乘积表示系统的优化目标，以降低完成特定计算所需的状态转换数，生成高效的计算结构。

结语

综上所述，当电子电力技术能够在电源节能稳定方面，成功地起到一定作用后。不仅在驱动当今世界的能源发展方面，有着正向价值，而且在提升全球质量方面，也有着积极影响。当然，受限于目前的技术科技水平，当电源的功效降低后，该物品的其他方面也将受到影响，比如面积，性能等。因此，对功耗的优化也要有针对性，要根据不同的物品，进行特定的考量。在技术水平没有突破性进展的当下，只有兼顾项目时间表、工程师资源以及风险的降低功耗，才能够真正地降低电源功效，实现综合提升。