守望綠色
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編者按：節能就是金錢(qián)，對于絕大多數消費品來(lái)說(shuō)節能已經(jīng)成為重要的市場(chǎng)競爭力之一。實(shí)現電子產(chǎn)品的節能降耗有多種手段，提高制程工藝是一種方法，但這種方法需要緊緊依靠技術(shù)的發(fā)展趨勢并且將提升產(chǎn)品的成本，因此一個(gè)切實(shí)可行的重要手段就是提升電源管理的水平。
另一個(gè)與綠色有關(guān)的話(huà)題是電子污染。電子垃圾已經(jīng)成為威脅人類(lèi)生存的重要敵人。近年來(lái)，人們已經(jīng)開(kāi)始從源頭對電子污染加以嚴格控制，歐盟的RoHS和中國更為嚴格的電子產(chǎn)品安全管理條例，都盡可能阻止重金屬離子對環(huán)境的進(jìn)一步污染，據悉，歐盟已經(jīng)計劃在2008年推行更為嚴格的REACH標準。
節能與環(huán)保是電子產(chǎn)業(yè)必須面對的生存問(wèn)題，我們特別選擇了幾家在電子產(chǎn)業(yè)鏈的不同環(huán)節上有代表性的企業(yè)，以他們的親身經(jīng)驗來(lái)指點(diǎn)一條通向綠色電子制造的坦途。
在美國，僅“服務(wù)器市場(chǎng)”消耗的電能就足夠讓 5 個(gè)巨型發(fā)電廠(chǎng)日夜不停地運轉，在這樣的電量消耗水平上，每年節省 1% 的電能就可能節省 2700 萬(wàn)美元。這個(gè)熱門(mén)問(wèn)題已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。自上世紀 90 年代中期以來(lái)，凌力爾特推出了很多同時(shí)具有高效率轉換和低靜態(tài)電流的電源管理集成電路，采用了已獲專(zhuān)利的突發(fā)模式(Burst Mode)技術(shù)，最大限度地降低了集成電路在備用模式時(shí)自身所需的電流。在很多情況下，這種備用靜態(tài)電流低至10mA至 20mA。
此外，系統設計師要克服的一個(gè)巨大障礙是器件在低功率或備用模式時(shí)的功耗，因為這時(shí)仍然從電池吸取電流。凌力爾特的電源管理集成電路采用了已獲專(zhuān)利的突發(fā)模式(Burst Mode)技術(shù)。這種技術(shù)最大限度地降低了集成電路在備用模式時(shí)自身需要的電流。在很多情況下，這種備用靜態(tài)電流低至 16mA。
凌力爾特為便攜式電源管理應用提供的產(chǎn)品有很多優(yōu)勢，其中包括：高開(kāi)關(guān)頻率(高達 8MHz)、在輕負載和滿(mǎn)負載時(shí)高效率轉換(高達 96%)、在備用模式時(shí)有非常低的靜態(tài)電流(低至 9mA)、高集成度(如集成 MOSFET 和肖特基二極管)。大多數由電池供電的手持式產(chǎn)品采用專(zhuān)用集成電路(ASIC 或 PMIC)來(lái)滿(mǎn)足電池充電、電源通路控制、提供多個(gè)電源電壓以及真正輸出斷接和準確 USB 限流等保護功能。大多數由電池供電的手持式產(chǎn)品通常由交流適配器、通用串行總線(xiàn)(USB)電纜或鋰離子/聚合物電池供電，管理這些電源之間的電源通路是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰。直到最近，設計師們一直試圖用大量 MOSFET、運算放大器和此類(lèi)器件以分立方式實(shí)現這一功能，但是面臨著(zhù)熱插拔、大浪涌電流等大量問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì )引起嚴重的系統問(wèn)題。
根據大多數市場(chǎng)調查公司的數據，2007年電源管理半導體芯片的全球市場(chǎng)收入將達到 270 億美元。其中，亞太(包括中國)市場(chǎng)的收入將達到約 100 億美元。這使得中國成為重要地區，這不僅體現在生產(chǎn)上，而且體現在中國作為最終市場(chǎng)的重要性不斷提升上。另外，美國半導體行業(yè)協(xié)會(huì )(SIA)預測，在 2007年，全球模擬半導體芯片市場(chǎng)規模將達到約 430 億美元，其中高性能器件將占相當大部分。這些數字背后的市場(chǎng)驅動(dòng)力量主要是蜂窩電話(huà)、智能電話(huà)、媒體播放器、數碼相機、數字媒體廣播(DMB)系統和個(gè)人導航設備(PND)等由電池供電的手持式產(chǎn)品，它們需要較長(cháng)的電池工作時(shí)間和多種電源電壓?！?/P>
無(wú)論是哪一地區還是哪一市場(chǎng)，節能或是高能源效率產(chǎn)品都深受客戶(hù)歡迎。
產(chǎn)品的能源效率有三個(gè)不同層次的含意：對于廣大的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，高能源效率產(chǎn)品等同于低能耗產(chǎn)品，他們都希望藉著(zhù)更高的效率可以減低電費方面的開(kāi)支。對于公共機構、大小企業(yè)及政府機關(guān)來(lái)說(shuō)，能源效率問(wèn)題也就是環(huán)保問(wèn)題。對于其他顧客來(lái)說(shuō)，能源效率是個(gè)如何散熱的復雜問(wèn)題。對于其他人來(lái)說(shuō)，能源效率是個(gè)關(guān)乎電池壽命長(cháng)短的問(wèn)題。
國半一直致力為節能要求極高的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)創(chuàng )新的集成電路及工藝技術(shù)，其中包括國半專(zhuān)有的BiCMOS-8 工藝技術(shù)、已注冊專(zhuān)利的封裝技術(shù)、以至一系列全新的節能產(chǎn)品。這些節能產(chǎn)品全部歸于PowerWise品牌之下，包括性能/功率比極高的產(chǎn)品(個(gè)別產(chǎn)品);可與其他集成電路搭配一起以實(shí)現高能源效率設計的產(chǎn)品(系統產(chǎn)品);國半的自適應電壓調節(AVS)技術(shù)(專(zhuān)利技術(shù))。適用于單片機系統(SoC)的PowerWise技術(shù)采用自適應電壓調節(AVS) 技術(shù)，因此可將數字處理器的功耗減少達70%。
除了PowerWise產(chǎn)品之外，國半還計劃推出各種設計工具套件與網(wǎng)上模擬測試工具，以及提供相關(guān)技術(shù)的參考資料，以協(xié)助客戶(hù)設計能源效率要求極高的系統。
展望將來(lái)，能源效率/節能及功率密度將成為業(yè)界最關(guān)注的亮點(diǎn)，相信最大的挑戰也來(lái)自這兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。國半一直致力于研發(fā)先進(jìn)能源管理技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)多項創(chuàng )新技術(shù)，SuPA(即功率放大器供電系統)技術(shù)不但可以延長(cháng)電池壽命，而且還可解決CDMA/WCDMA手機的散熱問(wèn)題。采用SuPA技術(shù)(例如LM3208芯片)可節省高達80%的能耗。
國半一直大力投資開(kāi)發(fā)新的封裝技術(shù)。以功率密度為例來(lái)說(shuō)，最新的 micro SMDxt 封裝技術(shù)便優(yōu)于同類(lèi)競爭產(chǎn)品。功率密度是指利用最小面積輸出最高功率。國半同時(shí)也是LED驅動(dòng)器解決方案的領(lǐng)導者。
隨著(zhù)國內本地設計的總有效市場(chǎng)(TAM)不斷成長(cháng)，高性能模擬芯片的市場(chǎng)需求也持續上升。加上國內的產(chǎn)業(yè)也開(kāi)始轉型，由生產(chǎn)低成本的電子消費產(chǎn)品轉為設計高性能的電子系統，令高效模擬芯片的市場(chǎng)需求更形殷切。對國內電子產(chǎn)品設計工程師來(lái)說(shuō)，他們必須進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能，例如提供更多嵌入式功能，加強其音響效果及畫(huà)面清晰度、延長(cháng)電池壽命以及減低電磁干擾，確保產(chǎn)品有自己的獨特優(yōu)勢，這樣才可在市場(chǎng)上脫穎而出。若產(chǎn)品沒(méi)有競爭優(yōu)勢，無(wú)論怎樣削價(jià)促銷(xiāo)，到頭來(lái)只會(huì )被市場(chǎng)淘汰?！?/P>
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安森美半導體
電子產(chǎn)品的節能主要體現在提高電源工作效率，降低待機功耗和改善功率因數等。世界各國政府和國際組織也紛紛出臺相應的節能規范標準。
從技術(shù)上講，安森美半導體積極開(kāi)發(fā)和利用能夠滿(mǎn)足并超越各種節能法規要求的技術(shù)和方案。如我們近斯推出的300 W GreenPoint ATX電源參考設計在高電壓輸入時(shí)可以達到86.5%的滿(mǎn)載高能效，更接近計算產(chǎn)業(yè)氣候拯救行動(dòng)(CSCI)組織提出的到2011年實(shí)現滿(mǎn)載下87%能效的要求。
從市場(chǎng)來(lái)看，由于競爭激烈，上市時(shí)間壓力大，客戶(hù)常常需要半導體制造商針對其應用需求提供經(jīng)過(guò)驗證的參考設計。針對這種需求，安森美半導體提供一系列的高能效GreenPoint參考設計，其應用范圍涵蓋電源適配器、ATX電源、CRT電視電源和LCD電視電源等;這些參考設計再輔以安森美半導體提供的完整支持，可以全方面滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。
對于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，需要不斷提升其電源工作能效和改善功率因數;此外，由于其在待機狀態(tài)下幾乎完全不發(fā)揮作用但卻要消耗電能，造成不必要的能源和金錢(qián)浪費，所以業(yè)界努力的一個(gè)重點(diǎn)便是降低待機功耗。另外，電子產(chǎn)品在輕載工作條件下工作效率的提高也逐漸成為關(guān)注的研究熱點(diǎn)。 在降低待機能耗和降低輕載能耗方面，常見(jiàn)的技術(shù)包括高壓?jiǎn)?dòng)和動(dòng)態(tài)自供電、跳周期和頻率回走等。安森美半導體還積極開(kāi)發(fā)獨樹(shù)一幟的創(chuàng )新技術(shù)，如軟跳周期和待機狀態(tài)下關(guān)閉功率因數校正(PFC)功能等。如安森美半導體的NCP1271增強型PWM電流模式控制器采用軟跳周期技術(shù)來(lái)控制峰值電流，并消除一些開(kāi)關(guān)脈沖，從而控制開(kāi)關(guān)損耗，以實(shí)現空載、輕載狀態(tài)下的卓越高效性能;此外，安森美半導體的固定頻率電流型PWM控制器NCP1230和準諧振電流模式PWM控制器NCP1381具有在待機狀態(tài)下關(guān)閉PFC的功能。當芯片檢測到系統進(jìn)入待機時(shí)，會(huì )自動(dòng)切斷PFC 的VCC供電。這樣等于省去了一個(gè)損耗環(huán)節，可以實(shí)現超低待機損耗。
中國市場(chǎng)是全球市場(chǎng)的重要組成部分，且其地位仍在不斷提升。以安森美半導體為例，僅中國市場(chǎng)所貢獻的營(yíng)收就達37%。中國電子企業(yè)和工程師應放眼全球市場(chǎng)，注重各種節能環(huán)保規范標準的要求和自身要肩負的社會(huì )責任，在設計中積極考慮并選用電源管理方面技術(shù)領(lǐng)先供應商的高性能解決方案和參考設計，設計出擁有全球競爭力的高性能和高質(zhì)量產(chǎn)品，從而把“中國制造”推向更高的層級?！?/P>
飛兆半導體
開(kāi)發(fā)節能方案和提高能效的產(chǎn)品是半導體制造商的寶貴商機。全球范圍內實(shí)施的各種功效法規，比如能源之星(ENERGY STAR)、1瓦倡議、80 Plus和中國節能計劃，以及能源成本的不斷提高，都在推動(dòng)對低功耗高能效產(chǎn)品的需求。
在可預見(jiàn)的未來(lái)，所有形式的節能都仍然是推動(dòng)半導體制造商發(fā)展的力量。對電子產(chǎn)品的需求不僅在發(fā)展中國家繼續增長(cháng)，在電子產(chǎn)品業(yè)已飽和的其它地區也是如此。消費者需要越來(lái)越多具有更多特性和功能的電子產(chǎn)品。
飛兆半導體的高能效解決方案主要用于電機控制、照明設備、電源和計算機應用。飛兆半導體的節能產(chǎn)品組合包括：
SPM產(chǎn)品。這些器件在單個(gè)封裝中整合了多達12個(gè)獨立的芯片，可提供完整的集成功率管理解決方案。
FPS產(chǎn)品。能滿(mǎn)足低待機功耗規范，簡(jiǎn)化設計，減小EMI輻射，并降低成本。飛兆半導體的FPS器件可將開(kāi)關(guān)損耗降至1瓦以下，完全符合政府及機構制定的相關(guān)規范。
Intelli MAX先進(jìn)負載開(kāi)關(guān)。采用業(yè)界領(lǐng)先封裝，具有功率管理和保護功能，整合了最佳的低壓功率半導體和模擬控制電路。
功率因數校正 (PFC) 產(chǎn)品。這些控制器能將功效提至最高，降低電力線(xiàn)負載，并提高開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 的功率因數，滿(mǎn)足“80 PLUS”計劃的要求(即80% 或更高的功效和0.9及以上的真正功率因數)。
SuperFET器件。這種新一代高壓MOSFET專(zhuān)為要求嚴苛的高效、高壓、快速轉換應用而設計。典型應用包括PFC、照明和AC/DC電源系統。
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集成式電機驅動(dòng)解決方案(50VA到10kVA)。范圍廣泛的IGBT和MOSFET產(chǎn)品系列，適用于汽車(chē)、工業(yè)和消費市場(chǎng)。
中國已逐漸成為全球經(jīng)濟的重要組成部分。全球接近四分之一的人口在中國，他們對電子商品的需求也在不斷增長(cháng)。主要的市場(chǎng)驅動(dòng)力量是消費電器領(lǐng)域，比如空調和白色商品，以及電視、DVD、機頂盒、手機及計算機等數字消費產(chǎn)品。在中國，個(gè)人電腦的使用量每28個(gè)月便翻一番，而且冰箱和空調等家用白色商品的耗電需求目前已占中國能源總需求量的10% 左右。
預計在中國，消費類(lèi)、超便攜、汽車(chē)和數字消費產(chǎn)品仍將是快速增長(cháng)的主要市場(chǎng)領(lǐng)域。不過(guò)，中國的能效提案將在未來(lái)發(fā)揮重要作用。中國的能源消耗速度快于GDP，這表示要實(shí)現國家可持續性發(fā)展目標存在艱巨的挑戰。高能效產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)將有助于推動(dòng)中國電子業(yè)向下一階段發(fā)展和增長(cháng)?！?/P>
RoHS實(shí)施對電子設計的最新影響和思考
歐盟RoHS最重大的影響是限制焊料內含有鉛。無(wú)鉛焊料的使用本身不要求更改電氣設備設計，但歐盟RoHS要求對設計進(jìn)行更改。
更高溫度導致對元器件和絕緣板的損害，最好能盡量降低這一損害。板布局可以提供幫助，并避免同時(shí)焊接極大的元器件和小的熱敏感元器件。更高Tg絕緣板可幫助避免在更高焊接溫度時(shí)的變形和脫層問(wèn)題。無(wú)鉛可焊鍍層一般是純錫，但也可使用錫鉍和錫銅。所有這些材料都容易受到可能導致短路的錫須所帶來(lái)的影響。有研究指出，當焊點(diǎn)遇到較高張力時(shí)，無(wú)鉛焊料比錫鉛焊料更容易受到熱疲勞的影響。在低張力的情況下，無(wú)鉛焊料似乎表現更優(yōu)秀。設備的設計可最大限度降低焊點(diǎn)的張力，例如，通過(guò)避免使用大型芯片組件、無(wú)鉛陶瓷器件和帶有合金42鉛框的J引腳IC。帶有靈活“鷗翼型”端接的器件和小型芯片電阻器等可以降低風(fēng)險。
EMC性能要求面板之間有良好的傳導性，傳統上是基于六價(jià)鉻的鈍化涂層而實(shí)現。雖然有替代品，但可能不足以滿(mǎn)足在更苛刻環(huán)境中使用的設備的要求，可能需要能夠保證EMC性能的替代設計。
設計工程師不能僅考慮計劃使用的器件的技術(shù)性能，而且還需要保證這些器件符合歐盟RoHS等規范，并能夠承受回流溫度。然而，僅憑對遵從法規的供應商的信心還不夠，供應商的可靠性必須首先得到保證。像派睿電子這樣的供應商已經(jīng)制訂了全面的措施，用于保證如果聲稱(chēng)某個(gè)部件符合歐盟RoHS要求，則一定會(huì )符合要求，但并非所有供應商都有這種嚴格的程序。
對設計工程師的影響：
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