半導體技術(shù)創(chuàng )新幫助電子產(chǎn)品實(shí)現綠色節能

　　前段時(shí)間全球關(guān)注的一個(gè)新聞是墨西哥灣的原油泄漏事件，每天大約40000桶漏油不僅僅是一個(gè)巨大浪費，也是一個(gè)生態(tài)災難。其實(shí)從全球功率效率的角度看，由于用電設備效率低下造成的能源損失和過(guò)多“溫室氣體”排放也不可輕視。根據環(huán)境影響評估機構 (EIA)的預測數據，從2005年到2030年，全球能源消耗將增長(cháng)50%。而在亞洲，降低排放的壓力也非常大。中國大陸第十一個(gè)“五年計劃” (2006-2010年) 要求單位GDP的溫室氣體排放要降低20%，但在前四年只減低了14.38%。要解決這些突出的全球性能源和環(huán)境問(wèn)題，可能需從兩個(gè)方面著(zhù)手，一是要提高現有能源的使用效率，二是要提供盡可能多的可替代能源或者可再生能源，而這兩種方式都離不開(kāi)半導體技術(shù)的創(chuàng )新。

　　功率半導體的創(chuàng )新體現在多個(gè)方面，可以是電路架構和設計創(chuàng )新，也可以是集成度、以及封裝技術(shù)的改進(jìn)。在半導體產(chǎn)業(yè)中，飛兆半導體的創(chuàng )始人之一Gordon Moore先生發(fā)明的“摩爾定律”見(jiàn)證了集成電路(IC)的發(fā)展歷程。在功率半導體領(lǐng)域，也沒(méi)有完全脫離該“摩爾定律”的影響。譬如說(shuō)，在LED市場(chǎng)，有一個(gè)類(lèi)似的Haitz定律 (Haitz’s Law)：LED亮度約每18-24個(gè)月可提升一倍。而LED技術(shù)也致力提高功率半導體的集成度和效率，把更多的功能和特性集成在一起。譬如飛兆半導體的FAN6754即是一款高集成度PWM控制器，相比其它解決方案，FAN6754可提供高電壓?jiǎn)?dòng)，將輕負載下的能效提高25%，還集成有過(guò)壓(OVP)、過(guò)流(OCP)與過(guò)熱保護(OHP)功能，以及電壓過(guò)低和線(xiàn)路補償功能，可以省去外部保護電路。

　　提高功率半導體的集成度和效率

　　功率半導體的創(chuàng )新可以分為漸進(jìn)式(Evolution)和革命性 (Revolution)兩種方式。從線(xiàn)性電源到開(kāi)關(guān)電源是一種革命性創(chuàng )新，電源效率從線(xiàn)性電源的30%-50%提升到開(kāi)關(guān)電源的70%以上。但是開(kāi)關(guān)電源的效率也不斷地進(jìn)一步提升，從最初的70%提升到目前的90%以上，具體效率依賴(lài)于系統功率大小和要求。以移動(dòng)設備為例，其開(kāi)關(guān)電源的效率可以達到80%以上，但是由于功率較小，即使使用最新技術(shù)，進(jìn)一步提高效率有很大難度。一般家用電器的開(kāi)關(guān)電源效率可以達到85%以上，而PC電源效率則可以達到85%-90%。功率更高的服務(wù)器電源基本都要求效率在90%以上，而大功率的太陽(yáng)能逆變器要求功率效率達到95%。

　　目前開(kāi)關(guān)電源所使用的磁性元件和電容需要進(jìn)行高頻率下工作，高頻率開(kāi)關(guān)必然帶來(lái)的高損耗。目前有一個(gè)很好的技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題，那就是在學(xué)術(shù)界非常出名的“軟開(kāi)關(guān)” (soft switching)技術(shù)。目前，采用這種技術(shù)的器件可能不到5%，預計未來(lái)三到五年內這種技術(shù)的普及率或許增長(cháng)到30%-50%，因為對于任何一種應用，采用該技術(shù)后效率都可以提升5%-10%，這種技術(shù)可望成為電源市場(chǎng)的又一次革命性創(chuàng )新。但是這種技術(shù)也有一些代價(jià)，系統的控制會(huì )更加困難，器件的精準度要求非常高，可能會(huì )造成系統成本提高。但是，由于系統效率提高，又可以簡(jiǎn)化系統設計，包括散熱等實(shí)現起來(lái)更加簡(jiǎn)單、容易。

　　飛兆半導體已經(jīng)發(fā)布了基于“軟開(kāi)關(guān)”創(chuàng )新技術(shù)的器件，包括針對電視機應用的T-series系列產(chǎn)品, 可以使電視機電源效率從80%提升到90%，這些器件得到了許多亞洲特別是中國電視機廠(chǎng)商的歡迎，已經(jīng)占據了當地市場(chǎng)份額的30%-40%?！败涢_(kāi)關(guān)”技術(shù)未來(lái)也會(huì )擴展到電視機電源以外的其他應用領(lǐng)域，包括PC電源、街燈照明等等。預計在2011年，“軟開(kāi)關(guān)”技術(shù)將在PC電源市場(chǎng)得到廣泛應用，屆時(shí)將提高PC電源的效率，降低PC的待機功耗，進(jìn)一步節省物料清單 (BOM)成本(見(jiàn)下圖)。

圖1：2011年前后，“軟開(kāi)關(guān)”技術(shù)將在PC電源市場(chǎng)得到廣泛應用

　　通過(guò)封裝技術(shù)創(chuàng )新實(shí)現更佳產(chǎn)品

　　飛兆半導體在封裝技術(shù)的創(chuàng )新方面不僅僅體現在性能，也包括如何降低芯片的封裝成本，給客戶(hù)提供更加有競爭力的方案。在上面提到的產(chǎn)品中，是真正體現了飛兆半導體在系統知識、電路設計和封裝技術(shù)的優(yōu)化結合。在一個(gè)封裝內部集成有三個(gè)硅片，用獨特的封裝技術(shù)實(shí)現系統級封裝(SiP)，產(chǎn)品只有9個(gè)引腳，使電子產(chǎn)品的可靠性得到很大提升，產(chǎn)品組裝更容易。同時(shí)，由于產(chǎn)品集成度提高，也使總體設計體積減小，PCB布局和設計更加容易。

　　降低馬達和照明市場(chǎng)的能耗

　　從全球市場(chǎng)來(lái)分析，馬達控制市場(chǎng)占全球能源消耗的50%以上，照明市場(chǎng)則占19%，而消費產(chǎn)品和IT各占百分之十幾左右。據此可以看出，全球大部分的能源消耗是在馬達運動(dòng)和照明市場(chǎng)，這也是飛兆半導體近來(lái)非常關(guān)注的領(lǐng)域。 在白色家電等需要運動(dòng)控制的市場(chǎng)，產(chǎn)業(yè)所面臨的設計挑戰是如何提高能效，降低系統成本，并簡(jiǎn)化設計。從感應馬達到永磁馬達的轉變可以使系統效能提高5%，而直流逆變器在變頻空調等家電中的采用則可以使系統節能達到40%以上 (見(jiàn)下圖)。飛兆半導體在空調器、洗衣機和電冰箱等白色家電市場(chǎng)擁有完整的解決方案，高效率集成式Motion-SPM功率模塊，能夠替代多達22個(gè)分立元件，適用于高達3kW范圍的家用電器和工業(yè)電機應用，在緊湊Mini-DIP封裝內集成了經(jīng)過(guò)全面測試的元件，包括HVIC、LVIC、NPTIGBT、FRD、以及自舉電路二極管，可為高能效的三相電機提供出色的變頻功率部分控制功能，能夠大大減小線(xiàn)路板空間、降低制造成本、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間及提高系統可靠性。

圖2：直流逆變器在變頻空調等家電中的采用則可以使系統節能達到40%以上

　　照明市場(chǎng)一個(gè)革命性的創(chuàng )新將是LED照明取代傳統的照明方式。舉例來(lái)說(shuō)，現在使用的50W白熾燈泡，如果采用LED，可以用5W的LED燈來(lái)替代。LED照明最突出的問(wèn)題LED燈的壽命和二次光學(xué)設計等問(wèn)題，而LED燈的壽命和使用環(huán)境、電源驅動(dòng)系統的設計有很大關(guān)系。在LED照明中，只有20%的熱量是由LED產(chǎn)生，而其余80%的熱量則是由驅動(dòng)器產(chǎn)生。因此，提高電源驅動(dòng)的效率非常關(guān)鍵。飛兆半導體的200W DC-DC電源參考設計RD212采用零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS) 技術(shù)，系統效率可高達94%，并具有過(guò)壓保護 (OVP)、過(guò)載保護 (OLP)、過(guò)流保護 (OCP)、異常過(guò)流保護 (AOCP)和內部過(guò)熱關(guān)斷保護(TSD)等許多保護功能。這款設計是飛兆半導體結合在電路設計和封裝技術(shù)方面創(chuàng )新的范例。其中包括用“軟開(kāi)關(guān)”技術(shù)實(shí)現的綠色FPS功率開(kāi)關(guān)FSFR2100，在高導熱效率的SiP封裝中集成了脈沖頻率調制 (PFM) 控制器和高壓柵極驅動(dòng)器、兩個(gè)快速恢復MOSFET(FRFET) 以及如軟啟動(dòng)和間歇工作模式等重要的保護功能。能夠處理高達200W功率而無(wú)需使用散熱片。

　　便攜式設備市場(chǎng)

　　在便攜式設備市場(chǎng)，由于功率較低，要大幅度提高功率效率是一個(gè)挑戰。但是由于便攜式設備出貨量很大，哪怕是細微的效率改進(jìn)都可以匯聚為巨大的能源節省。以手機為例，2009年全球手機出貨量已經(jīng)達到12億部，要提高手機等以電池供電的便攜式設備功率效率，需要更高效率地管理電池充電和放電兩個(gè)過(guò)程。當代手機需要多個(gè)電壓，以便滿(mǎn)足顯示屏、基帶處理器、閃光燈等要求，飛兆半導體擁有升壓/降壓轉換器、LED驅動(dòng)器、低壓MOSFET、以及負載開(kāi)關(guān)等高效電源管理方案，飛兆半導體的TinyLogic?器件可以與基帶處理器通用I/O直接對接，具有極低的靜態(tài)電流。

　　充電器市場(chǎng)

　　在充電器市場(chǎng)，所面臨的突出挑戰是滿(mǎn)足能效更高、體積更小、物料成本更低的設計要求，這需要半導體供應商提高集成度，并不斷減少外圍元件數量。在提高能效方面，諾基亞 (Nokia)、三星 (Samsung)、索尼-愛(ài)立信 (Sony Ericsson)、摩托羅拉(Motorola)和LG等手機廠(chǎng)商提出的五星級充電器要求，在沒(méi)有負載情況下待機功耗不超過(guò)30mW，這對于電源適配器和充電器提出了更高要求，半導體的初級端調節 (Primary Side Regulation) 技術(shù)是一種理想的解決方案。此外，飛兆還擁有高效USB附件/充電器等解決方案。