半導(dǎo)體在改善能源效應(yīng)中的角色
隨著大量能源被消耗掉，尤其是不可再生能源，接踵而來的是日益凸現(xiàn)的能源危機和環(huán)境保護問題。在我們努力開發(fā)風能、太陽能這些替代能源的同時，還必須尋找新的途徑，力求以更少的能源消耗完成更多的任務(wù)，并且改善溫室效應(yīng)導(dǎo)致的環(huán)境惡化。
集成電路被寄予了厚望。隨著過去半個世紀的技術(shù)創(chuàng)新，特別是在微電子領(lǐng)域，能源的利用已經(jīng)成為生產(chǎn)力以及世界各地人民生活水平提高的主要推動力。半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)進步對家庭，工廠和運輸系統(tǒng)的能源使用效率，以及可再生能源使用效率的提高做出了巨大貢獻。采用先進節(jié)能技術(shù)的芯片在工作時可以發(fā)揮更高的效率。在系統(tǒng)處于待機狀態(tài)時，又可減少系統(tǒng)的功耗，兩方面都對較少排放溫室氣體有很大的貢獻。部分電子產(chǎn)品甚至可利用感測功能應(yīng)對供電系統(tǒng)的突然變化，靈活調(diào)整操作避開高峰用電時段。例如，部分電熱水爐的家電、產(chǎn)品設(shè)有時延功能，可將正常操作延遲至高峰時段之后。
事實上，電能的流動過程就像一條鏈條，從電源的產(chǎn)生，到電源的輸送，再最終到各種不同的電能消費。每個環(huán)節(jié)部有功率變換器，每次功率變換就意味著能源損耗。為了把損耗降到最低，必須在各種不同的化解采用不同的器件和芯片。據(jù)統(tǒng)計，在我們采用電力設(shè)備將初始的能源材料成為電能后，51％電能消耗在電機驅(qū)動上，照明占據(jù)了19％的電能，加熱和制冷以及IT應(yīng)用的電力消耗分別有1 6％和1 4％。見圖1。
“每一個分類應(yīng)用都有很大的節(jié)能空間?！盕airchild中國及東南亞地區(qū)銷售副總裁陳坤和說：“如果把所有的單相AC電機換成可變速電機，可節(jié)省多達40％的電量；采用高效率的開關(guān)電源能帶來35％的電能節(jié)??；用CFL照明代替白熾燈泡，單單照明應(yīng)用就可減少75％的電能，如果進一步使用LED帶來的能效會更高。”
電機驅(qū)動：邁向電子控制
全球一半以上的電力消耗是用于電機驅(qū)動，由電機驅(qū)動的電器遍布于生活的每一個角落，例如，空調(diào)、洗衣機、電梯、電動自行車、跑步機等等。因此，效率低下的電機帶來極大的電量浪費，根據(jù)EPRI、ACEEE、IMSresearch多家機構(gòu)的綜合估算，每年約有73億美元的電能因為低驅(qū)動效率而浪費掉。
隨著美國、歐盟和中國等主要市場對能效規(guī)范越來越嚴格以及能源價格上升帶來的市場壓力，采用高效的電子控制電機已經(jīng)勢在必行。在韓國，如果1 00萬臺40hp的電機轉(zhuǎn)為采用高效能電機，每年總體電能消耗將下降2％。因為，從非逆變器交流驅(qū)動轉(zhuǎn)用逆變控制驅(qū)動能夠提高20％的能效，而由逆變器驅(qū)動的無刷電機(BLDC)可節(jié)能多到40％。
電機控制電子化優(yōu)勢很多。據(jù)陳坤和介紹，因為無刷直流及開關(guān)磁阻電機需要電子控制來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，而變頻控制讓交流感應(yīng)電機可以變速運作。此外，許多應(yīng)用都要求對所控制的過程中的一個或者多個參數(shù)進行專門控制，例如卷揚系統(tǒng)(Winding System)中可能使用恒力矩來提供張力，這就要求精確的速度、轉(zhuǎn)矩和功率控制，這些只有采用電子控制才能實現(xiàn)。而且，電子控制可讓交流感應(yīng)、無刷直流、以及開關(guān)電磁阻電機進行動態(tài)微調(diào)，以滿足不斷增長的電機應(yīng)用需求，并提供更高的效率。而如果采用功率因素校正(PFC)技術(shù)，電子控制就能夠從電力線路獲取能量，減少電網(wǎng)的負擔。
陳坤和介紹了Fairchild的一款200W無刷直流電機產(chǎn)品FalconEye，因為采用了PFC技術(shù)功率因數(shù)超過了95％，功率級(power stage)使用了Motion—SPM(智能功率模塊)從而簡化設(shè)計降低BOM成本。電源采用的是綠色FPS和光隔離誤差放大器，整流器是600V的IGBT。
空調(diào)：從感應(yīng)電機轉(zhuǎn)向永磁電機
2008年中國空調(diào)機的出貨量預(yù)計是6 000萬臺，而到2011年將接近7 000萬臺，其中只有500萬臺是變頻空調(diào)，不到1O％。因此作為電機控制的典型應(yīng)用，空調(diào)的節(jié)能空間非常大。表1是中國和歐洲空調(diào)機的能效標準對比。中國新的能效標準將在2009年3月份實施，原來計劃是1月份。能效標準會從入門級5級2．6升到2級3．2。變頻空調(diào)能效比的標準也在制定中，很快會實施。據(jù)IR中國應(yīng)用中心高級經(jīng)理李明透露，變頻空調(diào)能效比應(yīng)該是3．O，3級是3．9。
雖然空調(diào)是屬于制冷，但全部都是靠壓縮機、電機來實現(xiàn)的。如果從感應(yīng)電機轉(zhuǎn)為永磁電機，采用內(nèi)線磁棒式的永磁電機，電能損耗可以從1 3％降到4．8％。另外還可以采用永磁電機控制系統(tǒng)和永磁電機調(diào)速。IR的iMotion永磁電機控制綜合平臺是一個永磁電機調(diào)速平臺，它集成了數(shù)字控制器、模擬接口和功率半導(dǎo)體，并且通過固件、算法和軟件工具對家用電器中的永磁同步電動機(PMSM)進行無傳感器變速電動機控制。iMotion平臺可以用于空調(diào)室外機的壓縮機和風機的控制，兩臺電動機用無傳感器PM正弦波控制；由于采用先進的控制算法，可以使用單轉(zhuǎn)子壓縮機。
作為iMotion平臺的核心——智能電機控制芯片組，IRMCK300系列包含2個重要的組成部分，MCE和一個8位MCU組成的混合型控制IC。電動機控制引擎(MCE)針對永磁電機傳感器的控制算法，預(yù)先寫好控制算法，以硬件的方式實現(xiàn)無傳感器永磁電動機控制和功率因數(shù)校正控制?？照{(diào)控制系統(tǒng)由三部分組成，一個是60MIPS的8051 8位MCU；一個運動控制引擎(MCE)，是一個可配置控制電路模塊；還有一個模擬信號引擎(ASE)包括信號處理和12位的ADC。運動控制引擎完全是一個模塊式的芯片，要組成一個控制算法的時候，只需要把其中提供的功能模塊通過IR提供的工具連接起來就可以。例如，PI調(diào)節(jié)器，濾波器，可以通過軟件工具連成希望達成的控制算法，不需編寫底層軟件。
隨著政府對空調(diào)能耗的規(guī)范越來越嚴格，在今后兩年，空調(diào)機的COP(制冷機的性能系數(shù))將提高到3．4，在今后五年COP系數(shù)將可能超過5。按照3 500W的制冷量計算，如果變頻空調(diào)和定頻空調(diào)的COP提升到5．5，使用空調(diào)的家庭一年500小時可以節(jié)省240元人民幣。以2008年中國6 000萬臺的空調(diào)機生產(chǎn)量為例，一年的節(jié)電量，可以在240億度電，相當于可以少建24個1 O億度電發(fā)電規(guī)模的電廠。[!--empirenews.page--]
發(fā)送電源芯片效能：做的還不夠
在電機控制、電源和照明三大應(yīng)用中，電源的節(jié)能效率應(yīng)該是最高的，從過去的低于60％一直增長到今后的遠遠超過90%，但是依然還有很多可以改善的細節(jié)。另外一個趨勢是，系統(tǒng)的小型化使得整個系統(tǒng)變得越來越小，英飛凌高級技術(shù)總監(jiān)里歐·勞倫斯博士認為，到201O年，電源系統(tǒng)將會只有現(xiàn)在的20％大小，再過十年，還將降低5倍。
至于如何改善電源的能效，0N Semiconductor汽車及電源管理產(chǎn)品部全球銷售及市場總監(jiān)鄭兆雄認為可以從三點人手，一是功率因數(shù)校正(PFC)能效，其次是主轉(zhuǎn)換器的效率，最后是次級整流的效率。圖4黑框中的部分是可以利用新的元件提升整體系統(tǒng)的效能。
改善PFC的改善目標是實現(xiàn)0．96的功率因數(shù)?？梢圆捎脽o橋PFC減少橋損耗，在高功率應(yīng)用中使用交錯PFC，或者采用IC技術(shù)減少開關(guān)損耗，采用更好的拓撲結(jié)構(gòu)較少EMI濾波器損耗。另外，像英飛凌在PFC的高壓MOSFET和二極管制造工藝方面采用了CoolMOS，節(jié)能潛力可以達到2％～3％。主轉(zhuǎn)換器段的節(jié)能潛力也可達到1％～2％，其設(shè)計考量包括：采用降低導(dǎo)通阻抗或者減小初級峰值電流和均方根電流來降低初級導(dǎo)電損耗；用軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗；用低正向壓降二極管或FET整流器，減少整流器壓降，從而降低次級損耗；采用更好的磁芯材料降低磁芯損耗等。此外，用次級整流同步降壓轉(zhuǎn)換器和DC—DC軟開關(guān)技術(shù)可以進一步提升次級整流方案的3％～4％的效率。而在電源管理芯片方面，未來一代的產(chǎn)品應(yīng)該有靈活應(yīng)變的特色，可以應(yīng)對負載的變化迅速調(diào)整功能。例如，中央處理器若無需要以最高頻率工作，可以調(diào)低其時鐘頻率減少功耗。此外，時鐘頻率一旦下調(diào)，供電電壓也應(yīng)隨之下調(diào)，有助于進一步減少功耗。最新的集成電路設(shè)計更特別為中央處理器、數(shù)字信號處理器、ASIC等耗電量較大的內(nèi)核分別提供獨立而又可以加以設(shè)定的輸出電壓。內(nèi)核附近的傳感器負責判斷內(nèi)核所需的最低工作電壓。無論采用最高還是最低功率，又或是待機工作模式，未來一代的電源管理芯片都應(yīng)該發(fā)揮最高的轉(zhuǎn)換效率。
以平板電視為例，它已經(jīng)成為四大高能耗家用電器之一，各個國家都在節(jié)能和環(huán)保方面建立了相應(yīng)標準，比如2008年1 1月生效的美國“能源之星”電視產(chǎn)品3．O規(guī)范。這些標準引入以引導(dǎo)消費者使用更加節(jié)能的產(chǎn)品，同時對產(chǎn)品的進入提高了技術(shù)門檻。
平板電視的節(jié)能設(shè)計主要體現(xiàn)在兩個方面：電源和整機設(shè)計，而降低待機功耗是電源設(shè)計的重要話題。美國加州的監(jiān)管機構(gòu)規(guī)定新產(chǎn)品不能超過規(guī)定標準，國際相關(guān)組織也有非強制性的產(chǎn)品標簽規(guī)定，但大致上待機功耗規(guī)定必須在O．3～3W之間。對于可以利用遙控功能喚醒的電視機及電子消費產(chǎn)品，點擊功耗甚至可以低至O．1 W。
據(jù)海信電器有限公司副總裁戰(zhàn)嘉瑾介紹，海信現(xiàn)在設(shè)計的待機功耗，保證在50W的負載條件下，輸入功率小于1 OOmW。同時采用專用的待機電源和待機MCU，最大限度的降低待機功耗。
至于降低開機狀態(tài)下的能耗，戰(zhàn)嘉瑾介紹說海信的方法是提高傳統(tǒng)單電源方式的轉(zhuǎn)換效率。目前線型的電源轉(zhuǎn)換效率，一般在82％左右。海信在2005年開始把電源方案改成雙正機的方案，可以提高效率到87％。2007年用LLC諧振變換器的方案，轉(zhuǎn)換效率可以達到90％。以200W的液晶電視為例，效率提高8％意味著單臺整機可以節(jié)省16W的電能。
移動設(shè)備：凝聚在其中的電源管理智慧
快速增長的個人移動設(shè)備是近年來牽動IC市場發(fā)展的引擎，為了延長電池的使用壽命，不僅要求IC本身低功耗，更需要在顯示、LED驅(qū)動、音頻等方面(如圖5)進行電源管理；同時，還要求IC體積小巧、集成更多功能；并提供各種不同設(shè)計工具及相關(guān)資源，以加快整個設(shè)計過程。
例如，美國國家半導(dǎo)體(NS公司)把其專利的PowerWise電源管理技術(shù)用于各種芯片中。
MPL：在移動設(shè)備的顯示屏方面，MPL(移動像素鏈路)可以降低鏈路地功耗，方法是把并行信號變成高速串行信號，這樣便可采用更小巧的連接器及柔性PCB(印制電路板)，好處是可以減少電磁干擾和功耗，并使最終產(chǎn)品小巧纖薄。
LED驅(qū)動器：PowerWise燈光管理解決方案中，NS推出了創(chuàng)新的LED RGB(紅／綠／藍)驅(qū)動器。目前手機主要是白光背光的。白光背光不是純白，這是因為白光LED的光譜分布與LCD的彩色濾波器不能互相配合，而RGB LED的光譜與LCD的可配合，因而不會濾除任何光線，可以達到100％色域，可以讓圖像更加明亮。而且白光驅(qū)動有較高的能耗；但用RGB背光，并加上濾波器，用戶能達到良好的顏色效果。諸如NS的LP5520 RGB LED背光系統(tǒng)可以取保顯示其的畫面色彩亮麗，而且功耗更少。
音頻：音頻部分涉及Boomer D類放大器，裝飾燈驅(qū)動器、音頻子系統(tǒng)、遠場噪音抑制技術(shù)等。NS的采用遠場噪音抑制技術(shù)的模擬音頻麥克風陣列芯片，其耗電比采用數(shù)字處理器的數(shù)字方案少90％，而且語音清晰度完全不受影響。
延長電池壽命：長時間打電話手機會發(fā)燙，其原因是PA(功放)工作時間較長。為什么工作時間長會發(fā)燙呢?現(xiàn)在的手機基本供電是從電池來的，無論手機距離電池多近，都是同樣的效果。NS的自適應(yīng)射頻(RF)功率芯片可以測到信號的強弱，然后通過SuPA控制PA的電源，以此延長電池的壽命。
PowerWise：AVS(自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié))技術(shù)的功耗比同類數(shù)字系統(tǒng)解決方案少64％。它可以放在SoC里面，以監(jiān)控閉環(huán)電路的性能，可以因應(yīng)不同的系統(tǒng)負載靈活做出調(diào)整。
結(jié)語
目前，我們正面列兩大危機：一是電力供應(yīng)趨于不穩(wěn)定，另外溫室效應(yīng)對環(huán)境的影響越來越大。為了化解危機，世界各國都在制訂新的監(jiān)管法案，規(guī)定新的電子產(chǎn)品必須符合環(huán)保法規(guī)。汽車是首當其沖的一個，為了控制尾氣排放，很多機械的部件將為電子器件取代，歐·勞倫斯博士指出，現(xiàn)在超過70％的汽車的創(chuàng)新都是通過功率電子來實現(xiàn)的，主要的目標是為了降低燃料的消耗，增加能效，并且控制尾氣排放。
針對電力供應(yīng)負荷的問題，遭遇過幾次大停電的美國政府也在考慮家電產(chǎn)品是否應(yīng)該加入特別的感測功能，以確定供電系統(tǒng)是否已超負荷。系統(tǒng)設(shè)計工程師應(yīng)該具有前瞻的眼光，將這類產(chǎn)品付諸于實際設(shè)計中。
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