提升能效,讓整個(gè)世界微笑

　　摘要：面對越來(lái)越嚴格的能效等級，電源產(chǎn)品面臨著(zhù)全新的技術(shù)需求挑戰，未來(lái)幾年，電源半導體企業(yè)需要滿(mǎn)足更為嚴格的電源設計需求。

　　大家都在談綠色低碳，談節能減排，談保護環(huán)境，在清潔能源與可再生能源價(jià)格依然居高不下，以及其應用總是受各種制約的前提下，最直接的實(shí)現節能降耗又不影響消費者用戶(hù)體驗的辦法還是提升電源的能源轉換效率。

　　從輸電網(wǎng)絡(luò )的交流電，到用電終端的各種直流驅動(dòng)設備工作，隨著(zhù)消費電子產(chǎn)品逐漸取代工業(yè)產(chǎn)品成為能源消耗的主力，提升消費電子的能源轉換效率，以此盡可能降低不必要的能源轉換效率，是最直接有效，也是最簡(jiǎn)單的節能降耗的辦法。

　　政府一向是推進(jìn)電源效率要求的規則制定者，金牌電源由美國80PLUS政府機構定義和認證,只有達到該認正標準的才能在美國銷(xiāo)售。其中金牌的標準要求PFC+PWM的效率>90%，銀牌要求>88%，銅牌要>85%，而至少>80%才能算合格的電源?，F在更新的電源標準已經(jīng)出臺，分別是>92%的白金牌電源和更為苛刻的>94%的鈦金牌電源標準。

　　白金牌電源標準的要求具體包括：AC-DC 從PFC到DC輸出轉換效率達到92%;待機功耗低于0.15W;高的功率密度，小的體積(300W/立方英寸);以及高的可靠性，平均無(wú)故障工作時(shí)間〉5000小時(shí)。鈦金牌電源具體要求是：AC-DC從PFC到DC輸出轉換效率達到94%; 待機功耗低于50mW, 即低于0.05W;更高的功率密度，更小的體積;更高的可靠性，平均無(wú)故障工作時(shí)間要達到一萬(wàn)小時(shí)。

　　從節約能源及環(huán)境保護的要求，必須設計、制造最高效率的開(kāi)關(guān)電源變換器。對于A(yíng)C-DC，其效率要達到金牌標準，就必須達到90%以上。對于DC-DC，其效率要達到金牌標準，就必須達到95%以上。而綠色電源的定義，空載功率損耗<0.3W，電磁干擾EMI達到國際標準，生產(chǎn)工藝為無(wú)鉛作業(yè)無(wú)污染作業(yè)。研讀這兩個(gè)最新的標準具體需求，轉換效率和待機功耗是其中非常重要的兩個(gè)量化指標，而要滿(mǎn)足這兩個(gè)數字指標的要求，對電源設計者及半導體廠(chǎng)商提出了嚴格的技術(shù)要求。

　　新能效提出新挑戰

　　對于白金和鈦金牌系統，會(huì )有兩個(gè)“較新”的要求：(1)在現有負載點(diǎn)(20%、50%和100%)下具有更高的效率標準;(2)新的10%負載點(diǎn)下最低工作效率要求。為了滿(mǎn)足這些標準的要求，必需考慮電源控制技術(shù)以及半導體元件。

　　要獲得更高的效率，便必需考慮結合LLC諧振半橋等諧振模式控制技術(shù)，以及次級端同步整流技術(shù)。在負載范圍內不同控制技術(shù)的效率曲線(xiàn)也不相同。例如：雙管反激式解決方案的平均效率高于LLC諧振半橋方案(后者在滿(mǎn)負載條件下具有出色的效率)。更高的平均效率意味著(zhù)在所有負載點(diǎn)下更容易滿(mǎn)足最小值標準要求。此外，必需考慮使用超級結MOSFET等具有低導通阻抗的半導體元件來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗。最后，仍然需要使用開(kāi)關(guān)電源(SMPS)專(zhuān)有技術(shù)，最大限度地提高給定設計的效率。

　　面對越來(lái)越嚴格的能效等級，電源半導體產(chǎn)品面臨著(zhù)全新的技術(shù)需求挑戰，未來(lái)幾年，面對越來(lái)越嚴格的能效等級，新能源、照明、電信、智能電網(wǎng)、智能家電等市場(chǎng)都具有巨大的增長(cháng)空間，智能化電源將會(huì )受到越來(lái)越多的青睞。另外，嚴格的能效等級也會(huì )促進(jìn)電源管理產(chǎn)品向高效、節能、環(huán)保的方向發(fā)展。如何提高系統電源的效率是市場(chǎng)所關(guān)心的問(wèn)題之一，注重滿(mǎn)載效率的同時(shí)，輕載效率，靜態(tài)功耗也成為設計人員的關(guān)注點(diǎn)。

　　安森美半導體電源市場(chǎng)全球銷(xiāo)售及營(yíng)銷(xiāo)高級總監鄭兆雄總結電源半導體產(chǎn)品的主體發(fā)展趨勢體現在以下方面。

　　1 高能效：提高從滿(mǎn)負載到待機(空載)等完整負載范圍內的能效，且要提升散熱性能。

　　2 減小尺寸及提升功率密度：利用優(yōu)化的開(kāi)關(guān)拓撲結構設計更小電源、提高集成度、降低物料單(BOM)元件數量及成本。

　　3 全球法規及能效標準更趨嚴格：要確保方案符合規范要求，配合功率因數校正(PFC)及待機能耗要求。

　　電源管理與功率半導體是改善能效中非常重要的兩個(gè)部分。在日常生活中，功率半導體應用于從移動(dòng)通信到航天電子的廣泛電子應用之中。最普遍的功率應用是轉換、管理和分配。這些應用的基本子系統包括AC-DC、DC-DC和DC-AC，所有三種子系統的主要發(fā)展推動(dòng)力量是采用性能更高的開(kāi)關(guān)和控制電路。發(fā)展趨勢是在系統加入更多的功率電子內容，以便提供各種功能如更便捷的顯示(用于消費電子產(chǎn)品的LED顯示)、通信(聯(lián)網(wǎng))，以及系統監控和保護。為了迎合系統發(fā)展趨勢，功率半導體供應商正在推出具有高能效水平、高集成度和多電源軌的器件?！　?/p>

           

　　在功率分立器件方面，MOSFET正在從平面技術(shù)轉向Super Junction (電荷平衡)技術(shù)，以期改善導通狀態(tài)電阻率(Rds(on))并實(shí)現快速開(kāi)關(guān)。至于IGBT技術(shù)，則應用溝槽技術(shù)來(lái)減小片上橫向隔離結構的尺寸，有助于減小芯片面積，同時(shí)保持性能。據報道，功率分立器件供應商幾乎達到了基底材料，硅材料的極限。因而，新材料半導體器件預計將會(huì )替代傳統的硅半導體器件。寬能帶隙(WBG)半導體器件如SiC和GaN開(kāi)關(guān)正在涌現，這些器件采用高成本效益的工藝技術(shù)來(lái)達到規模經(jīng)濟效益，從而保障大批量生產(chǎn)率。大規模推出WBG半導體的速度取決于市場(chǎng)的需求。市場(chǎng)對高效率、高密度和高溫度應用器件的需求不斷增長(cháng)，推動(dòng)功率半導體供應商以較預期更快的速度投入WBG半導體產(chǎn)品的競爭之中。

　　即便市場(chǎng)需要更高效的產(chǎn)品，功率半導體客戶(hù)也仍然需要提升價(jià)值。例如，進(jìn)一步改進(jìn)大多數廣泛使用的硅器件，比如IGBT需要降低Vceon的來(lái)減少功率損耗，縮小芯片面積來(lái)降低成本，以及利用創(chuàng )新的芯片貼裝技術(shù)來(lái)擴大溫度范圍并提高可靠性，這些都是今天的市場(chǎng)所需要的。美高森美功率產(chǎn)品部門(mén)戰略業(yè)務(wù)發(fā)展總監Keith Westrum介紹，他們和客戶(hù)正在探索使用更高的工作頻率來(lái)減少實(shí)物的尺寸和降低其產(chǎn)品的總體成本。