«Используя наши методы, мы смогли создать прототипы систем с преобразователями энергии, которые сочетают в себе энергоэффективность и низкую стоимость, которая, насколько мы можем судить, не имеет себе равных ни на одном рынке в настоящее время. ", – говорит Алекс Дин, соавтор статьи о работе и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в NC State.
Чтобы понять новую технику, вы должны немного знать о встроенных системах.
Во-первых, им нужен источник питания. А для максимальной энергоэффективности система должна быть спроектирована так, чтобы работать с максимально возможным напряжением. Иногда это означает использование самого низкого напряжения, необходимого для работы цепи. В других случаях это означает небольшое повышение напряжения, чтобы система могла закончить работу раньше, а затем переход в спящий режим с низким энергопотреблением.
Но батареи обычно выдают энергию при таком уровне напряжения, при котором система работает неэффективно; часто батарея выдает больше напряжения, чем требуется системе. Чтобы изменить напряжение до оптимального уровня, система может использовать преобразователь мощности.
Наиболее эффективные преобразователи мощности, называемые импульсными преобразователями мощности, состоят из двух частей. Одна часть состоит из оборудования "силового каскада", которое контролирует хранение и поток энергии.
Другая часть – это «контроллер», который позволяет преобразователю реагировать на изменения потребности встроенной системы в мощности или изменения потока энергии от источника питания, или даже обеспечивать защиту от экстремальных температур и отказов устройств. Контроллер может быть специально разработанной схемой или отдельным процессором, на котором работает специальное управляющее программное обеспечение.
Наличие динамического, отзывчивого преобразователя мощности также важно, поскольку он позволяет встроенной системе быть более энергоэффективной; система может перейти в спящий режим, затем работать быстро, а затем снова выключиться – и преобразователь мощности может соответствующим образом регулировать поток энергии.
«Наше достижение состоит в том, что мы использовали принципы проектирования систем реального времени и включили программное обеспечение преобразователя мощности во встраиваемый системный процессор.
Эти методы гарантируют, что другое программное обеспечение на процессоре встроенной системы не будет мешать правильной работе преобразователя мощности », – объясняет Дин. "Это устраняет необходимость в отдельном процессоре или схеме контроллера на самом преобразователе мощности, что, в свою очередь, снижает стоимость всей системы."
Это также делает встроенную систему меньше, легче и гибче.
«Поскольку встроенное системное программное обеспечение и программное обеспечение преобразователя мощности используют общий процессор на одном кристалле, это дает разработчикам более скоординированный контроль как над функциями системы, так и над соответствующими требованиями, которые эти функции могут предъявлять к преобразователю мощности», – говорит Дин.
Исследователи создали два прототипа преобразователей, используя новую технику, и сравнили их с десятками других совместимых преобразователей мощности, представленных на рынке, и обнаружили, что ни один из других преобразователей не может сравниться с сочетанием низкой стоимости и высокой эффективности прототипов.
«Наш второй лучший прототип имел КПД 90 процентов – менее 10 процентов энергии было потрачено впустую», – говорит Дин. «Наш лучший прототип имел эффективность 95 процентов. И у обоих были компоненты стоимостью около 50 центов. Все остальные преобразователи либо стоили дороже, либо были менее эффективны, либо и то, и другое."
Документ «Использование методов проектирования систем в реальном времени для интеграции управляющего программного обеспечения SMPS с прикладным программным обеспечением» будет представлен на IEEE Energy Conversion Congress & Expo, который состоится в сентябре.
20-24 года в Монреале, Канада. Ведущий автор статьи – Авик Джунджа, бывший кандидат наук.D. студент в лаборатории Дина, который сейчас работает в Intel. Другой соавтор – Субхашиш Бхаттачарья, профессор электротехники и вычислительной техники в штате Северная Каролина.
Работа поддержана грантом Национального научного фонда 1116850.