降低设备功耗的方法 - 精确测量 电子产品, 能源管理, 稳定性, 工程师, 可靠性

Bazinga

有人预言，全世界的能量需求很可能超出了所供给的能量。美国能源部估计，预计美国总的能源消耗在2035年将增加30%，达到5万亿千瓦，而在同一时期计划开发的能源，包括可再生能源，增长率仅有22%。
此外，对能源管理的策略则是非常原始和低效的，结果降低了能源分配过程中的可靠性和稳定性。工程师们正努力改善所有电子产品中能量的利用效率，包括商用设备、家用设备、工业电机，以及网络设备。然而，也需要知道在一个闭环系统中能量是怎样被消耗来产生有益作用和减少浪费的。改善效率只是众多因素中的一个。改变消费者对效率的不关心可以通过功耗智能监视来实现，它可以给出节能的选择。
精确的功耗测量和持续监视产生的数据可以提交给本地数据和控制网络。一旦数据到达网络，许多种经过最低程度折中的功率消耗改进措施可以自动给出。实际上，这样的数据网络可以指导我们改善生活方式，例如当空调发生故障时不会让人感到无法理解。
精确测量将提供理解、确认、报告和修正设备功率消耗或功率分配所必须的信息。消费者需要准备好应对在电费帐单结算方式和如何平衡选择所尽义务等方面不可避免的变化。当我们要时常面对每千瓦时3.00美元的电费时，会发生什么呢？这一天正在到来。
在每个负载点进行测量和控制
为了通过智能功率管理和消费者的选择来取得高效率，不仅需要精确测量设备的总体功率，例如整个设备消耗的总功率，而且也需要在负载点处进行精确测量，例如空调、洗碗机、计算机，或者照明灯具等。
智能电表可以按天计量电力消耗，这为消费者提供了改变他们用电模式的最好方法。为了改善自动控制方式，需要为消费者提供各种选择和增值服务，每个设备必须被连接到本地数据和控制网络，用于监视并允许控制建筑物内的各种负载。通过功率测量和使用方式统计，就可以为消费者提供相应的服务，例如维护调度。这样的网络可以使用各种各样的配置和协议实现，完全取决于应用。
通过识别电能是怎样使用的，包括精确功率测量的本地数据和控制网络可以为消费者和商业用户降低高额的费用。用户可以看到使用空调的费用大约是每月200美元（使用价值），或者与中午使用干燥机而不是下午7点使用的费用差异（使用的时间价值）更可能改变他们的使用方式。
这些在以前只能通过昂贵高端仪表采集到的每个负载点数据现在只需要几美元。功率因数（Power FactorF）和视在功率（apparent power:VA）信息可以很容易地获得，这些参数能够用于优化功率分配预算，例如预测设备维护时间，以及理解陈旧系统的疲劳程度。
图1描述了一台使用两种不同电源适配器供电的笔记本电脑的功率消耗。即使实际负载一样，从电力线上供应的功率也有很大的不同。这些有价值的信息现在都可以非常容易地获得。统计的结果可以用于调整设备的工作行为。在电压或线路频率上的微小降落都有可能预示着某种供电故障，都会使设备进入保护模式。


图1 使用两种不同电源适配器的笔记本电脑在上电、稳定工作和下电状态下的功率曲线
交流电压的过零信息也可以用于定时，这可以减少继电器触点分离和闭合时产生的电弧。当这些信息以低成本和低功耗的方式获得时，就可以对设备进行许多种改进。当从定性评估过度到定量测量时，投资的回报也更容易量化和控制，因此精确测量就非常必要了。图2描述了一个非常容易使用的数据采集系统。


图2 一种使用78M6612 SoC芯片、基于USB接口的电源插座监视演示设备
准确度的重要性
智能功率管理算法的实现需要清楚描述实际功率消耗和实际的需要，这就要求测量具有相当高的精度。目前，片上系统已经非常普遍，它使每个设备都具备了成为智能仪表的能力。例如，Teridian公司的78M6612交流功率监视SoC可以测量10mA～20A的电流，而且从-40℃～+85℃温度范围内的测量误差低于0.5%。
达到很高的测量准确度需要高分辨率、高精度和很宽的动态范围。许多通用MCU在测量准确度方面受到限制，因为它们只有10或12位的ADC。而 78M6612有一个22位的ADC，动态范围和准确度也非常高。动态范围影响的不仅仅是准确度。跨越很宽动态范围进行测量允许相同的电路监视不同领域的应用，从而使成本更低。