半導體在改善能源效應中的角色

　　歷史發(fā)展進(jìn)入現代工業(yè)社會(huì )后，能源已經(jīng)成為人類(lèi)文明進(jìn)步的首要推動(dòng)力。伴隨著(zhù)最近20年全球經(jīng)濟的穩定發(fā)展，全球能源消耗總量更是一直在持續攀升。2007年全球能源消耗保持強勁，主要能源消耗比上一年增長(cháng)了2.4%，這一數字僅比2006年的2.7%略低。消費增長(cháng)最大的是亞太地區，中國增加了7.7%，這已是2002年以來(lái)最低漲幅，而國際能源組織（IEA）甚至預言中國將在2010年之前取代美國成為耗電量最大的國家。根據國際能源年鑒的預測，2010年的世界能源消耗市場(chǎng)將達到511千兆BTU（英制熱量單位，1 BTU約等于1055焦耳），2030年增加到702千兆BTU，比當前的能耗需求增加了一半還多。

　　隨著(zhù)大量能源被消耗掉，尤其是不可再生能源，接踵而來(lái)的是日益凸現的能源危機和環(huán)境保護問(wèn)題。在我們努力開(kāi)發(fā)風(fēng)能、太陽(yáng)能這些替代能源的同時(shí)，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)，并且改善溫室效應導致的環(huán)境惡化。

　　集成電路被寄予了厚望。隨著(zhù)過(guò)去半個(gè)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(dòng)力。半導體技術(shù)的持續進(jìn)步對家庭，工廠(chǎng)和運輸系統的能源使用效率，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(jìn)節能技術(shù)的芯片在工作時(shí)可以發(fā)揮更高的效率。在系統處于待機狀態(tài)時(shí)，又可減少系統的功耗，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對供電系統的突然變化，靈活調整操作避開(kāi)高峰用電時(shí)段。例如，部分電熱水爐的家電產(chǎn)品設有時(shí)延功能，可將正常操作延遲至高峰時(shí)段之后。

圖1 主要的電能消耗

圖2目前的能效評級

　　事實(shí)上，電能的流動(dòng)過(guò)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(gè)環(huán)節都有功率變換器，每次功率變換就意味著(zhù)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。據統計，在我們采用電力設備將初始的能源材料成為電能后，51%電能消耗在電機驅動(dòng)上，照明占據了19%的電能，加熱和制冷以及IT應用的電力消耗分別有16%和14%。

　　“每一個(gè)分類(lèi)應用都有很大的節能空間。”Fairchild中國及東南亞地區銷(xiāo)售副總裁陳坤和告訴記者：“如果把所有的單相AC電機換成可變速電機，可節省多達40%的電量；采用高效率的開(kāi)關(guān)電源能帶來(lái)35%的電能節??；用CFL照明代替白熾燈泡，單單照明應用就可減少75%的電能，如果進(jìn)一步使用LED帶來(lái)的能效會(huì )更高。”

電機驅動(dòng)：邁向電子控制

　　全球一半的電力消耗是用于電機驅動(dòng)，由電機驅動(dòng)的電器遍布于生活的每一個(gè)角落，例如，空調、洗衣機、電梯、電動(dòng)自行車(chē)、跑步機等等。因此，效率低下的電機帶來(lái)極大的電量浪費，根據EPRI、 ACEEE 、IMS research多家機構的綜合估算，每年約有73億美元的電能因為低驅動(dòng)效率而浪費掉。

　　隨著(zhù)美國、歐盟和中國等主要市場(chǎng)對能效規范越來(lái)越嚴格以及能源價(jià)格上升帶來(lái)的市場(chǎng)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100萬(wàn)臺40hp的電機轉為采用高效能電機，每年總體電能消耗將下降2%。因為，從非逆變器交流驅動(dòng)轉用逆變控制驅動(dòng)能夠提高20%的能效，而由逆變器驅動(dòng)的無(wú)刷電機（BLDC）可節能多到40%。

　　電機控制電子化優(yōu)勢很多。據陳坤和介紹，因為無(wú)刷直流及開(kāi)關(guān)磁阻電機需要電子控制來(lái)產(chǎn)生轉矩，而變頻控制讓交流感應電機可以變速運作。此外，許多應用都要求對所控制的過(guò)程中的一個(gè)或者多個(gè)參數進(jìn)行專(zhuān)門(mén)控制，例如卷?yè)P系統（Winding System）中可能使用恒力矩來(lái)提供張力，這就要求精確的速度、轉矩和功率控制，這些只有采用電子控制才能帶來(lái)。而且，電子控制可讓交流感應、無(wú)刷直流、以及開(kāi)關(guān)電磁阻電機進(jìn)行動(dòng)態(tài)微調，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的電機應用需求，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(xiàn)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(wú)刷直流電機產(chǎn)品FalconEye，因為采用了PFC技術(shù)功率因數超過(guò)了95%，功率級（power stage）使用了Motion-SPM（智能功率模塊）從而簡(jiǎn)化設計降低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：從感應電機轉向永磁電機

　　2008年中國空調機的出貨量預計是6000萬(wàn)臺，而到2011年將接近7000萬(wàn)臺，其中只有500萬(wàn)臺是變頻空調，不到10%。因此作為電機控制的典型應用，空調的節能空間非常大。表1是中國和歐洲空調機的能效標準對比。中國新的能效標準將在2009年3月份實(shí)施，原來(lái)計劃是1月份。能效標準會(huì )從入門(mén)級5級2.6升到2級3.2。變頻空調能效比的標準也在制定中，很快會(huì )實(shí)施。據IR中國應用中心高級經(jīng)理李明透露，變頻空調能效比應該是3.0，3級是3.9。

表1 空調機的能效標準：中國和歐洲的對比


　　雖然空調是屬于制冷，但全部都是靠壓縮機、電機來(lái)實(shí)現的。如果從感應電機轉為永磁電機，采用內線(xiàn)磁棒式的永磁電機，電能損耗可以從13%降到4.8%。另外還可以采用永磁電機控制系統和永磁電機調速。IR的iMotion永磁電機控制綜合平臺是一個(gè)永磁電機調速平臺，它集成了數字控制器、模擬接口和功率半導體，并且通過(guò)固件、算法和軟件工具對家用電器中的永磁同步電動(dòng)機（PMSM）進(jìn)行無(wú)傳感器變速電動(dòng)機控制。iMotion平臺可以用于空調室外機的壓縮機和風(fēng)機的控制，兩臺電動(dòng)機用無(wú)傳感器PM正弦波控制；由于采用先進(jìn)的控制算法，可以使用單轉子壓縮機。

圖3 IR的iMotion永磁電機控制綜合設計平臺

　　作為iMotion平臺的核心只能電機控制芯片組，IRMCK300系列包含2個(gè)重要的組成部分，MCE和一個(gè)8位MCU組成的混合型控制IC。電動(dòng)機控制引擎（MCE）針對永磁電機傳感器的控制算法，預先寫(xiě)好控制算法，以硬件的方式實(shí)現無(wú)傳感器永磁電動(dòng)機控制和功率因數校正控制?？照{控制系統由三部分組成，一個(gè)是60MIPS的8051 8位MCU；一個(gè)運動(dòng)控制引擎（MCE），是一個(gè)可配置控制電路模塊；還有一個(gè)模擬信號引擎（ASE）包括信號處理和12位的ADC。運動(dòng)控制引擎完全是一個(gè)模塊式的芯片，要組成一個(gè)控制算法的時(shí)候，只需要把其中提供的功能塊通過(guò)IR提供的工具連接起來(lái)就可以。例如，PI調節器，濾波器，可以通過(guò)軟件工具連成希望達成的控制算法，不需編寫(xiě)底層軟件。

　　隨著(zhù)政府對空調能耗的規范越來(lái)越嚴格，在今后兩年，空調機的COP（制冷機的性能系數）將提高到3.4，在今后五年COP系數將可能超過(guò)5。按照3500瓦的制冷量計算，如果變頻空調和定頻空調的COP提升到5.5，使用空調的家庭一年500小時(shí)可以節省240元人民幣。以2008年中國6000萬(wàn)臺的空調機生產(chǎn)量為例，一年的節電量，可以在240億度電，相當于可以少建24個(gè)10億度電發(fā)電規模的電廠(chǎng)。

改善電源芯片效能：做的還不夠

　　在電機控制、電源和照明三大應用中，電源的節能效率應該是最高的，從過(guò)去的低于60%一直增長(cháng)到今后的遠遠超過(guò)90%，但是依然還有很多可以改善的細節。另外一個(gè)趨勢是，系統的小型化使得整個(gè)系統變得越來(lái)越小，英飛凌高級技術(shù)總監里歐.勞倫斯博士認為，到2010年，電源系統將會(huì )只有現在的20%大小，再過(guò)十年，還將降低5倍。

圖4紅框中的部分是可以利用新的元件提升整體系統的效能

　　至于如何改善電源的能效，ON Semiconductor汽車(chē)及電源管理產(chǎn)品部全球銷(xiāo)售及市場(chǎng)總監鄭兆雄認為可以從三點(diǎn)入手，一是功率因數校正（PFC）能效，其次是主轉換器的效率，最后是次級整流的效率。圖4紅框中的部分是可以利用新的元件提升整體系統的效能。

　　改善PFC的改善目標是實(shí)現96%的功率因數?？梢圆捎脽o(wú)橋PFC減少橋損耗，在高功率應用中使用交錯使PFC，或者采用IC技術(shù)較少開(kāi)關(guān)損耗，采用更好的拓撲結構較少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，節能潛力可以達到2%～3%。主轉換器段的節能潛力也可達到1%～2%，其設計考量包括：采用降低導通阻抗或者減小初級峰值電流和均方根電流來(lái)降低初級導電損耗；用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)降低開(kāi)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，等等。此外，用次級整流同步降壓轉換器和DC-DC軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以進(jìn)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(lái)一代的產(chǎn)品應該有靈活應變的特色，可以應對負載的變化迅速調整功能。例如，中央處理器若無(wú)需要以最高平率工作，可以調低其時(shí)鐘頻率減少功耗。此外，時(shí)鐘頻率一旦下調，供電電壓也應隨之下調，有助于進(jìn)一步減少功耗。最新的集成電路設計更特別為中央處理器、數字信號處理器、ASIC等耗電量較大的內核分別提供獨立而又可以加以設定的輸出電壓。內核附近的傳感器負責判斷內核所需的最低工作電壓。無(wú)論采用最高還是最低功率，又或是待機工作模式，未來(lái)一代的電源管理芯片都應該發(fā)揮最高的轉換效率。

　　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(gè)國家都在節能和環(huán)保方面建立了相應標準，比如將于2008年11月生效的美國“能源之星”電視產(chǎn)品3.0規范。這些標準引入以引導消費者使用更加節能的產(chǎn)品，同時(shí)對產(chǎn)品的進(jìn)入提高了技術(shù)門(mén)檻。

表2 美國“能源之星”電視產(chǎn)品3.0規范將于2008年11月生效

　　平板電視的節能設計主要在體現在兩個(gè)方面，電源和整機設計，而降低待機功耗是電源設計的重要話(huà)題。美國加州的監管機構規定新產(chǎn)品不能超過(guò)規定標準，國際相關(guān)組織也有非強制性的產(chǎn)品標簽規定，但大致上待機功耗規定必須在0.3W～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(diǎn)擊功耗甚至可以低至0.1W。

　　據海信電器有限公司副總裁戰嘉瑾介紹，海信現在設計的待機功耗，保證在50W的負載條件下，輸入功率小于100mW。同時(shí)采用專(zhuān)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(kāi)機狀態(tài)下的能耗，戰嘉瑾介紹說(shuō)海信的方法是提高傳統單電源方式的轉換效率。目前線(xiàn)型的電源轉換效率，一般在82%左右。海信在2005年開(kāi)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(zhù)單臺整機可以節省16W的電量。

移動(dòng)設備：凝聚在其中的電源管理智慧

　　快速增長(cháng)的個(gè)人移動(dòng)設備是近年來(lái)牽動(dòng)IC市場(chǎng)發(fā)展的引擎，為了延長(cháng)電池的使用壽命，不僅要求IC本身低功耗，更需要在顯示、LED驅動(dòng)、音頻等方面（如圖5）進(jìn)行電源管理；同時(shí)，還要求IC體積小巧、集成更多功能；并提供各種不同設計工具及相關(guān)資源，以加快整個(gè)設計過(guò)程。
例如，美國國家半導體（NS公司）把其專(zhuān)利的PowerWise電源管理技術(shù)用于各種芯片中。

圖5 NS的PowerWise移動(dòng)系統解決方案

　　MPL　在移動(dòng)設備的顯示屏方面,MPL（移動(dòng)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驅動(dòng)器　PowerWise燈光管理解決方案中，NS推出了創(chuàng )新的LED RGB（紅/綠/藍）驅動(dòng)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(huì )濾除任何光線(xiàn)，可以達到100%色域，可以讓圖像更加明亮。而且白光驅動(dòng)有較高的能耗；但用RGB背光，并加上濾波器，用戶(hù)能達到良好的顏色效果。諸如NS的LP5520 RGB LED背光系統可以取保顯示其的畫(huà)面色彩亮麗，而且功耗更少。

圖6  白光LED的光譜及LCD的彩色濾波器

　　音頻　音頻部分涉及Boomer D類(lèi)放大器，裝飾燈驅動(dòng)器、音頻子系統、遠場(chǎng)噪音抑制技術(shù)等。NS的采用遠場(chǎng)噪音抑制技術(shù)的模擬音頻麥克風(fēng)陣列芯片，其耗電比采用數字處理器的數字方案少90%，而且語(yǔ)音清晰度完全不受影響。 

　　延長(cháng)電池壽命　長(cháng)時(shí)間打電話(huà)手機會(huì )發(fā)燙，其原因是PA（功放）工作時(shí)間較長(cháng)。為什么工作長(cháng)時(shí)間會(huì )發(fā)燙呢？現在的手機基本供電是從電池來(lái)的，無(wú)論手機距離電池多近，都是同樣的效果。NS的自適應射頻（RF）功率芯片可以測到信號的強弱，然后通過(guò)SuPA控制PA的電源，以此延長(cháng)電池的壽命。

　　PowerWise　AVS（自適應電壓調節）技術(shù)的功耗比同類(lèi)數字系統解決方案少64%。它可以放在SoC里面，以監控閉環(huán)電路的性能，可以因應不同的系統負載靈活做出調整。

結語(yǔ)

　　目前，我們正面對兩大危機：一是電力供應趨于不穩定，另外溫室效應對環(huán)境的影響能夠越來(lái)越大。為了化解危機，世界各國都在制訂新的監管法案，規定新的電子產(chǎn)品必須符合環(huán)保法例。汽車(chē)是首當其沖的一個(gè)，為了控制尾氣排放，很多機械的部件將為別電子器件取代，歐.勞倫斯博士指出，現在超過(guò)70%的汽車(chē)的創(chuàng )新都是通過(guò)功率電子來(lái)實(shí)現的，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。

　　針對電力供應負荷的問(wèn)題，遭遇過(guò)幾次大停電的美國政府也在考慮家電產(chǎn)品是否應該加入特別的感測功能，以確定供電系統是否已超負荷。系統設計工程師應該具有前瞻的眼光，將這類(lèi)產(chǎn)品付諸于實(shí)際設計中。