摘要：近几年来电子技术获得了快速发展，并在诸多领域得到了广泛的应用，比如照明系统、电气和电子设备、烘烤和烹调系统等领域中。在给人们生活生产带来方便的同时也出现了大量能源被浪费、电能使用效率不高、耗能大污染大等问题。从绿色节能的角度来看，有必要发展新的电源电子技术，提高能源的利用率，实现节能降耗的目标。本文将围绕节能降耗目标，将在分析新时期电源电子技术及其特点的基础上，谈谈如何在现代电子系统中利用绿色无污染、高效率的现代化电源技术，通过电子技术的创新来推动电源技术的发展，并转化为生产力、促进生产力和科协技术的发展进步。
关键词：电源电子技术,电子系统,绿色节能
绿色节能、环保高效的电子技术已经成为电源电子系统发展的主要趋势,在现代电子系统中,随着数据库建设完善,数据处理效率越来越高、数据流量和存储的空间也越来越大,系统稳定性和可靠性增加,电子设备的体积却在不断减小、集成度不断提高,能耗随之降低。尤其是一些便携式的电子设备以及远程控制的电子设备,对于电子系统的集成要求较高,且体积小、便于携带,整个电子系统的能耗很低,所以相同的电池在相同体积的电子设备中能耗损失较少、待机的时间较长。现在电子设备的外形十分简单,终端产品也更加小巧,系统内的处理器、存储器以及集成电路的数量在不断增加,热量更多,热管理设计就变得非常重要。如果热管理设计不合理反而会增加能耗,无法发挥现代化电子技术的优势。下文主要结合电源电子技术发展现状、发展趋势等谈谈如何在现代化电子系统中实现节能降耗的目标。
1 电子电能消耗现状分析
随着经济的快速发展,对于能源的需求越来越大,由此产生的能源危机和环境污染问题也越来越严重。目前全世界都在关注能源消耗的问题,为缓解能源危机,必须不断改进技术,提高电子产品的能源转换率、降低待机对于能耗的损失。
我国是能源消耗大国之一,不管在工业生产上,还是在生活工作中对于电源的使用量都很大,但是使用效率却一直不能有效提升。截止到2018年,我国对于能源的消耗总量达46.4亿吨标准煤,其中电力消费量增长了8.5%,增长速度创近7年新高,全国使用电量约6.84万亿千万时(数据来自中电联快报)。根据资料显示,有部分电力消耗发生在系统内部,如果能够不断完善系统设计、使用自动化控制系统,以及最新的电子元器件来提高电源的使用效率,可节省大量的电力消耗,每年节省下大笔的电源开销。
2 电源技术的发展趋势和种类
2.1 电源技术的发展趋势
电源技术诞生于上世纪50年代末到60年代初期,经过硅整流技术、整流技术、逆变和变频技术,电源技术已经在多个领域得到了广泛的应用。后来出现了高频率、高效率和高压大电流的功率半导体复合元件,推动传统电源技术朝着现代电源技术发展。现代电源技术发展趋势主要可以概括为以下几点:第一绿色节能化、小型化、低能耗低污染、低电流和高效率、高集成化发展。这主要是借助于电子元器件、集成电路的发展,推动了电源技术的进步。第二模块化、智能化发展。其中包括功率单元模块化、输出单元模块化。借助新型开关电源实现功率开关敢和输出保护模块的结合,缩小了开关电源的体积,使电源能在应用中更加灵活方便,此外通过输出稳压电路的模块化使电源使用更加稳定安全。第三朝着数字化、多元化的方向发展。在数字技术发展的背景下,利用数字技术不但可以降低电源高频谐波的干扰、减少非线性失真,而且还能实现对CPU的智能化控制[1]。
2.2 电源的种类
电源种类根据输入和输出状态来分,可以分成AC-AC,AC-DC,DC-AC,DC-DC几种;根据工作状态来分又可以分成线性电源、开关电源、二极管稳压电源;根据负载连接稳压方式来分可以分成串联型稳压电源和并联型稳压电源;根据输出电压调整方式来分可以分成固定输出电源和可调电源。在电子技术快速发展的背景下对于电源的分类雨季界定也变得模糊,不同的电力电子设备采用的电源类型也不同,常见的电源有78或79系列的固定电源,以及317和337可调电源。因为开关电源的体积较小,效率较高,所以应用更加广泛,而线性电源由于体积大、效率不高而且不能实现对输出短路和过载保护,不能实现自动化控制,所以逐渐淡出人们的视线,尤其是对于专业的电子工程师而言经常应用的还是固定或可调节的电压输出集成电路,
3 实现电子系统低能耗的策略分析
进入到信息化、数字化时代,单纯的分离晶体管时代已经逐渐过渡到了集成电路时代。在数字技术高速发展的背景下,人们对于电源电子系统的能耗要求也越来越高,传统的电源电子技术及其相关设备一方面无法满足与日俱进的电能需求量,另一方面很多电力电子设备也存在性能上的缺陷,不少电源的效率不高且容易出现安全性问题,这和当下绿色节能、环保高效的理念不符。所以有必要加强对电源电子技术的研究,尤其应该对原本高能耗的电力电子系统和电力设备进行研究,探讨节能降耗的策略。
3.1 OPU低功耗电源策略
信息化时代的CPU系统本身属于功耗较低的系统,在软硬件上支持电源低功耗的管理模块、高级配置和电源接口等,能实现对多个电源转换模块、外部元件等的控制,可以保证系统的可靠安全,且能有效降低电能的损耗。目前通过对电源低功耗管理模块和高级配置与电源接口的创新应用,同时引入到CPU系统内核以及I/O中,尤其在嵌入式系统以及FPGA系统中的应用,可有效提高使用效率,降低电源功耗。不过能源降耗的多少和系统内部资源的使用频率、工作时钟频率、输出变化频率、布线密度等有关,在不同的系统中电源实际消耗的能量有很大的不同。
3.2 静态和动态电源低功耗策略
静态电源低功耗指的是在系统初始化过程中的电源低功耗管理技术,随着系统的初始化而逐渐明确系统功能和管理模式;动态电源指的是CPU系统运行过程中的低功耗技术。通过程序运行频率的调整,在系统繁忙时适当提高CPU运行的速度,而在系统空闲时又使CPU处于休眠的状态,这样可以有效降低平均电流和电压,在保持电流和电压不变的情况下降低耗电的时间,降低整个系统运行的能耗[2]。一般来说,动态电源管理在程序运行时可以动态全过程地控制整个系统的能耗,而静态电源管理则只能在初始化的过程中进行确定,所以动态电源管理策略应用得较静态多。
3.3 低功耗集成电路
进入到集成电路时代后,电源电子技术的发展应用也逐渐过渡到了低功耗的集成电路方面,比如78或79系列电源稳压集成电路、低压差线性稳压技术。其中在电源稳压集成电路应用中,由于该集成电路体积小且集成度较高、线形调整率和负载调整率较高,应用也相对固定、电路的形式简单,只要在正负直流电压输出时注意变压器的最小输出功率和最小输出电压即可。根据能量守恒定律,理想上电源输入功率和输出功率是一样的,不够实际上也会出现元器件的损耗,使电压输出功率要低于输入功率。在低压差线形稳压技术应用中,其电源输入和输出之间的电压差较小,传统线形稳压技术的输入电压和输出电压之间的差值在2-3V,低压差线形稳压技术的应用使输入电压和输出电压的差值变小,一般在1.7V便能正常运行。因为降低了电源输入输出的电压差,所以集成电路的功耗得到了有效降低。
结语
本文对电源电子技术的发展现状、趋势、特点以及具体领域应用进行了分析介绍,重点分析了如何采用低功耗管理策略来实现节能降耗的目标,并对现代电子技术在照明系统中的应用进行了探讨,证明新型电源电子技术的发展和应用不但可以节省能源,而且还能降低对环境的污染,符合当前绿色环保发展的要求。
参考文献
[1]曲子君.电力电子技术在开关电源中的应用研究[J].化工管理,2016(09):129-129.
[2]王娇,顾波,魏伟.电力电子技术在绿色照明系统中的应用分析[J].电子世界,2017(03):92+94.
[3]杨爱民.绿色照明电路系统中电子技术的应用研究[J].电子技术与软件工程,2015(15):143.
