智能配电架构的优势

为了改善电源管理应用，智能配电采用基于多个电子和电气模块的分散式电源架构。

通过兰德尔Scasny 2019年8月5日

工程师们面临着在电子产品设计中实现更高电源效率的压力。对低损耗、高功率和可靠安全的竞争需求对现代配电系统的创建提出了挑战，该系统从电源一直到互连设备的供应都是高效的。

这些挑战导致了配电技术的新方法，智能配电是最新的创新之一。智能配电采用基于多个电子和电气模块的分散式电源架构，而不是采用熔断器或继电器等机电设备。它是交通、航空和机器人等应用的理想电源管理方法。

然而，设计不同的配电体系结构并不容易，因为它通常必须根据应用程序进行定制。它还要求工程师将架构成本降至最低，以便在负载变化下安全供电。了解智能配电的好处的最佳方法是检查集中式和分散式配电架构的工作原理和不同之处。

集中式与分散式架构

集中式配电体系结构将电力从电源分配到网络中的各个系统。每个设备的控制面板、相关的主电源、电源转换器、输入/输出(I/O)模块和保护电路通常位于中心位置。集中式体系结构从一个位置监视各个系统或终端应用程序。

集中式方法具有显著的优势。连接主站和从站的电路的供电总线路由是复杂的，需要大量的电缆来互连它们。由于配电损耗增加，电力效率也很低。集中式电力分配的一个很好的例子是传统的汽车电力电子设备，它使用12V电池。传感器和执行器通过从中央电源控制器连接的铜电缆供电。

分散式配电，又称分布式电源架构，是一种将系统的电力需求划分为多个智能配电中心(PDCs)分布在整个产品中的架构。各配电柜之间通过LIN (local interconnect network)或CAN (controller area network)进行通信。较小的功率单元或配电箱是为系统中设备的操作而设计的，并位于其附近。

分散式架构不仅在线束上减轻了重量，而且通过用小型、现代和轻量级的半导体设备取代沉重的继电器也减轻了重量。以汽车应用程序为例，分散式架构不仅可以降低成本，还可以减轻重量，从而提高车辆的燃油效率，并有助于减少CO₂排放。由于半导体的功率损耗通常比保险丝/继电器组合低七倍，因此进一步提高效率成为可能。

由于PDCs之间可以相互通信，也可以与车辆的其他部分通信，因此工程师可以实现更大的控制和更高水平的集成。这种控制可以增强功能，同时更智能、更有效地利用能源。将这种新型结构与先进的半导体相结合，可以带来巨大的好处，并解决了传统机电继电器和保险丝的不足。

分散体系结构的另一个优点是它有助于每个子系统的pdc的标准化和定制。设计人员现在可以将标准模块组合在一起来设计电源架构。系统的任何变化都不需要对整个供电系统进行重新设计;只需要对需要修改的部分进行更改。

集中式电源也很笨重。它们更高的功率要求导致了大型变压器和热管理组件，如散热器和冷却风扇。在分布式架构中，热量分散在所有模块上，以较低的功率水平运行。变压器和散热器更小，在许多情况下，冷却风扇被淘汰。

分散式结构提高了配电系统的可靠性，使电子设备在更安全的环境中运行。这种效率的提高是因为导体可以在高电压和低电流下传输电力。这些可以转换非常接近负载点，这需要低电压和高电流。例如，今天的现代汽车电子设备采用分散式电源架构设计，其中12V电池电源分布在整个车辆中，并转换为车辆每个系统，子系统和设备所需的各种电压和电流。

更智能的电力信息

智能配电可以为系统中的各个配电柜模块提供周期性、实时的信息，为特定功能提供正确的供电。它还提供来自其保护或监控电路的反馈，以发送有关可能的风险因素或系统故障的警报。

图5:低侧开关电路图示例，CAN/LIN和负载位于相对的两侧。礼貌:element14[/标题)

系统组件需要具有快速通信能力，以向智能主控制器提供实时信息，主控制器作为中央数据处理单元。通常使用的通信方法是LIN、CAN或FlexRay通信接口。

智能配电架构还使工程师能够用半导体开关取代继电器。在传统的配电系统中，当控制器向继电器施加外部电压信号时，继电器将电源与负载连接或断开。当继电器通电时，源电流流过负载;当它断开时，电路打开。

虽然普遍存在，但继电器并不是完美的开关，因为它们需要更多的电压才能打开，不稳定，并且涉及更高的电磁损耗。智能电源开关开启了用半导体开关取代继电器的大门。

智能开关在低电压下打开，通过脉宽调制(PWM)控制信号使能。它们具有非常高的电流容量(高达40A)和极低的导通电阻(低至1.0m Ω)。这些设备提供约3000mJ的高能容量，使它们能够在更高负载的应用中取代继电器。半导体开关还可以降低损耗和整体功耗，从而提高系统的使用寿命和可靠性。

熔断器是智能配电的另一个好处。在继电器开关系统中，使用切断保险丝，在过载故障情况下中断电流流动，提供保护。保险丝盒是系统的关键，因为是一个复杂的线束。

现在，工程师们可以用智能电源开关取代传统的保险丝，它的作用就像一个可重新编程的保险丝，当故障情况被清除时，可以通过软件自动复位。

智能交换机配置

智能开关连接或断开电源到负载。根据它们在电源电路中的位置，它们被定义为高侧或低侧开关。

高侧开关根据控制器提供的控制电压连接或断开负载的电源。它们连接在正电源线和负载的一端之间。负载的另一端与地相连。高压开关可以在恶劣环境下安全地将大电流驱动到电阻性、感性和容性负载中。

低侧开关连接负载的一端和地。它们根据控制电压为电阻性和感性负载提供安全的负载控制切换到地。这些开关方便驱动led，继电器和电机。

智能开关应用

智能开关可用于许多应用，其中电机和LED驱动器是最常见的。但其他有趣的应用也正在出现，包括智能电池开关、分散的配电中心和电网管理系统。

智能电池开关是一种大电流电池断开装置，采用超低欧姆to -无铅(TOLL)金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，结合创新的镶嵌印刷电路板(PCB)技术。具有载流能力大、电阻低、耐热性和扩散性好、机械稳定性高等特点。

智能电池开关可以取代热电电池断开开关，或作为大电流负载的安全开关。它们也可用于静态电流优化，或可复位故障电流关闭。

其次是分散的配电中心。智能配电架构已经发展到可以在整个产品中集成多个智能配电盒的地步。虽然PDC内部的基本架构保留了相同的控制和通信接口，但可扩展的半导体允许使用一个通用的“核心”来实现一系列更高或更低功率的PDC模块。这种通用性在规模经济和可靠性方面带来了成本效益。

例如，在汽车应用中，PDCs几乎可以安装在车辆的任何地方。没有任何东西可供驱动程序服务，因此不需要访问。这种方法简化并减少了线束，节省了重量和成本。由于每个PDC都是微处理器控制的，因此可以在软件中调整功能，并且可以配置PDC以适应不同的产品需求。

电网管理系统也提高了配电效率。在汽车应用中，停止/启动系统自动关闭和重新启动发动机，以减少发动机空转时间，从而改善燃油消耗和排放。尽管停止/启动系统有很多好处，但它们对电网来说是一个挑战，因为电网需要在停止/启动过渡期间保持稳定。使用智能电源开关的板网稳定器可以在发动机启动时断开启动器和主电池与辅助电气系统的连接。

电子产品对电源的需求不断增加，再加上硬件和应用领域不断创新，需要新的电源管理方法。智能配电架构为工程师提供安全、可靠和高效的配电方案，更容易配置和集成。

兰德尔Scasny，资深社区内容专家，element14。克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．