智能电网中照明和能源控制IC与传感器的重要性

“智能电网”是交流电网改造的下一个重要步骤。现有电网提供来自集中发电厂的电力，并且对个人用户（工业，商业或住宅）负载和使用几乎没有或没有洞察力;同时，用户很少掌握自己的使用和基于负载的成本。此外，现有的电网架构不太适合非常本地的独立电源（例如家用太阳能电池板），它们在不可预测的时间向电网提供电力，以及从电网中提取电力。

智能电网旨在更有效地提供电力和平衡负载。它还为最终用户提供了更好的洞察力，使他们了解成本与负载均衡的使用时间。同样重要的是，它将容纳越来越多的间歇性本地电源，当条件允许时可以将电力馈送回电网，或者存储电力供以后使用。

使智能电网成为现实的关键是在电网层次结构的各个层面引入传感器（图1）。根据市场研究公司IHS的报告，智能电网相关传感器市场将从2014年增加近20倍至2021年，达到3.5亿美元。智能电网使用这些传感器，依靠安装在每个用户站点的智能电表，向用户和电力公司通知电力可用性，负载和运营成本。这些仪表将与内部设备和照明，本地电源/存储以及电力公司网格的智能控制相关联。

图1：智能电网是传统电力系统和电网的重大升级;它不仅可以提高源，传输和使用效率，还可以实现小规模采购和本地化存储。

智能电网概述

历史上，交流电源网格将多个发电站（无论是由煤，石油，天然气，水还是核燃料作为燃料）连接成一个网格，以便任何这些来源都可以支持系统中任何地方的用户。运行发电厂和电网的公用事业公司可以测量通过电网各部分的功率和能量，调整可用性和节流阀（如果需要），并可以测量每个最终用户消耗的能源成本（kW-Hr）通过各种遥测技术。

然而，这是他们所拥有的洞察力的极限。它们的反馈回路的时间常数相对较大，因为它主要响应大规模的变化，例如在夜间使用较少的功率和在早晨和晚上使用较慢的上升/下降时间，具有稍微稳定的高值白天。当然，在我们日益全天候的世界中，即使是这些传统模式也在发生变化。

智能电网的目标是实现能源闸门，配送路径和存储的灵活组合，需要在相当快速的实时环境中平衡可用选项并根据需要动态调整组合。智能电网成功实施的目标是最大限度地减少对大型发电厂或其他大型输电线路的需求。为了实现这一目标，正在采用强有力的财务激励措施来鼓励负载均衡，闲置期间的电力使用，本地电力供应，甚至本地存储（例如，参见特斯拉汽车公司最近公布的用于家庭和办公室的Powerwall系统）

低级构建模块支持的高级架构

关于智能电网潜在灵活性的预测及其可能带来的好处是诱人的，但现实是实现这一目标需要很多最终用户级别的低级构建块。住宅设施尤其如此，每个家庭都有一点不同，并且没有“建筑管理”专业人员。智能电网功能金字塔开始于监控并且可能基于效用的控制能量被传递到家庭或由家庭提供。实现这一目标有几个阶段。

首先，每个家庭都需要一个称为高级计量基础设施（AMI）的智能电表来测量电力使用情况，并向公用事业公司提供数据以进行计费和跟踪。它还为消费者提供了监控使用和定价的见解，以及更多实际控制能源使用的可能性。反过来，AMI与称为住宅能源管理（REM）的家庭监控/控制功能一起工作，该功能使用公用设施安装的家庭区域网络（HAN）与仪表，恒温器，灯和其他要监控的设备通信也许是控制的; HAN连接是通过无线链路或电力线通信（PLC）实现的。

一般来说，消费者对能源使用量和时间的效用控制的想法持怀疑态度，并且它将进行的研究尚不清楚。另一种选择，公用事业提供的REM由消费者提供的称为独立REM（iREM）的REM替代，其通过AMI计量子系统连接并主动监控能量使用，但允许用户保持个人控制。

集成电路，传感器，软件是关键要素

将这些广泛的高级目标转化为现实，例如智能电表和智能家电/灯具控制，是大批量的机会供应商，但成本压力很大。

市场研究公司IHS认为，智能电表的全球出货量将在2011年至2016年间增加两倍，达到约6200万台，这将导致同期半导体市场翻番。在报告摘要中，IHS的工业电子研究分析师Jacobo Carrasco Heres指出，“用智能电表取代传统电表的最初动机是节能。但是，更有说服力的激励是电网的仪表。使用智能电表，公用事业公司最终将拥有一个良好映射的电网，使他们能够更有效地规划发电和管理资源。“一些例子说明了供应商采取的步骤，使智能电网的这些关键构建模块变为实用开发。

领先的智能电表IC是Maxim Teridian™78M6631，这是一款高度集成的三相功率测量和监控片上系统（SoC）（图2）。一个22位delta-sigma A/D转换器，一个8051兼容的MPU内核和一个32位计算引擎（CE），用于处理AC线数据.78M6631设计用于需要bot的应用中的功率和质量测量h delta和wye三相配置。

图2：Maxim Teridian 78M6631功率测量和监控SoC不仅实现了大部分智能电表功能，还适用于各种线路传感器类型和3相连接配置。

该器件为A/D转换器提供六个模拟输入（三个差分电流和三个电压），用于连接用于AC线路拾取的电流和电压传感器。该器件在2000：1的宽动态范围内提供高于0.5％的精度。对于与主机处理器的接口，56引脚TQFN封装的IC包括SPI，I 2 C和UART I/O.它还包括用于控制LED的基本数字I/O端口，用于告知用户智能仪表状态，驱动外部继电器，甚至允许在输入传感器之间进行选择。

智能电表IC本身，无论功能或集成程度如何，都只是故事的一部分。 Maxim提供的应用软件可作为固件加载到128 kB闪存中，以提供分析和系统调整，包括：

真有效值电流和电压计算

有效，无功，表观，基波和谐波功率计算

基波和谐波电流和电压计算

线路频率和功率因数计算

相位补偿（向上）

内置校准程序

可编程报警阈值

这种合适的线电流/电压传感器组合，Teridian IC，嵌入式固件和分析将满足各种全球性能和监管标准的准确性，及时性和数据报告。

住宅和商业（办公）照明是智能电网可以集成以节省大量电力。与HVAC不同，HVAC必须运行以保持所需的温度（尽管这样做是有目的的），但照明具有更大的灵活性。用户可根据可用的室外光线，房间占用率和其他因素选择调整照明水平以满足其需求。照明也是废热的来源，取决于外部温度，这可能是好事或坏事。

随着许多装置切换到基于LED的灯具，以提高效率，延长寿命和调节（使用适当的控制电路和算法），供应商提供LED优化的智能照明IC。其中一个例子是赛普拉斯半导体公司的CY8CLED0xD/G0y系列PowerPSoC®智能LED驱动器，包括十几个相关的IC，它们的存储量，I/O数量和一些内部功能不同（图3）。每个器件由五个主要模块组成：PSoC内核，数字系统，模拟系统，系统资源和电源外设（包括功率FET，迟滞控制器，电流放大器和PrISM/PWM调制器）。这些PowerPSoC系列器件旨在取代传统的MCU，系统IC以及围绕它们的众多分立元件。

图3：赛普拉斯半导体公司的多种CY8CLED0xD/G0y系列PowerPSoC IC专为LED照明的智能驱动而设计，作为古老的白炽灯泡和CFL灯泡的替代品，但它具有独特且经过仔细监控的驱动特性。

每个PowerPSoC都具有一系列集成电源外设和数字控制功能。电源外设包括：

最多四个独立操作的MOSFET（32 V/1 A），可驱动大功率LED

多达四个可编程迟滞控制器，为LED提供受控电流输出

最多四个可编程低侧栅极驱动器，支持32 V以上的电压，用于外部MOSFET

浮动负载降压，浮动负载降压 - 升压和升压转换器拓扑结构满足不同应用的不同电压要求的灵活性

开关频率高达2 MHz，允许使用更小，更便宜的电感器

辅助电源稳压器可为单个设备供电电源

用于需要高分辨率调光的照明应用的16位调光

在数字控制方面，用户可以访问：

八个可编程数字模块，用于定时器，计数器，PWM和UART等功能

六个可编程模拟模块，用于放大器等功能ADC，DAC，滤波器和比较器

至少16 kb的闪存

8位微控制器

在PSoC器件中，可配置的电源，模拟，数字和互连电路实现了高水平的集成，以支持工业，商业和消费者的LED照明要求。

简单的传感器也可以产生很大的不同。在智能电网和智能能量互动的最低功能水平，使用房间占用探测器可以消除浪费的照明能量，特别是因为一些区域仅在短时间内看到高度间歇性，零碎的使用（想想洗手间）。这就是Zilog Zmotion ZRE200BP PIR（被动红外）探测器等基本组件为适度投资带来的巨大好处。

结论

智能电网提供了从发电到使用甚至存储的节能和效率的巨大潜力。将宏伟概念转化为现实需要在电网系统的所有阶段对设施和设备进行大幅升级，在当地和住宅区进行大量工作，其中成本必须保持低，易于安装和使用至关重要，并且有形好处必须切合实际。电源计量IC，照明和能源控制IC甚至基本传感器等组件的供应商在升级到更具自我意识，灵活性和弹性的网格方面发挥着重要作用。