提升能效,讓整個世界微笑

　　摘要：面對越來越嚴(yán)格的能效等級，電源產(chǎn)品面臨著全新的技術(shù)需求挑戰(zhàn)，未來幾年，電源半導(dǎo)體企業(yè)需要滿足更為嚴(yán)格的電源設(shè)計需求。

　　大家都在談綠色低碳，談節(jié)能減排，談保護(hù)環(huán)境，在清潔能源與可再生能源價格依然居高不下，以及其應(yīng)用總是受各種制約的前提下，最直接的實現(xiàn)節(jié)能降耗又不影響消費者用戶體驗的辦法還是提升電源的能源轉(zhuǎn)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(qū)動設(shè)備工作，隨著消費電子產(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(zhuǎn)換效率，以此盡可能降低不必要的能源轉(zhuǎn)換效率，是最直接有效，也是最簡單的節(jié)能降耗的辦法。

　　政府一向是推進(jìn)電源效率要求的規(guī)則制定者，金牌電源由美國80PLUS政府機(jī)構(gòu)定義和認(rèn)證,只有達(dá)到該認(rèn)正標(biāo)準(zhǔn)的才能在美國銷售。其中金牌的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)在更新的電源標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。

　　白金牌電源標(biāo)準(zhǔn)的要求具體包括：AC-DC 從PFC到DC輸出轉(zhuǎn)換效率達(dá)到92%;待機(jī)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，平均無故障工作時間〉5000小時。鈦金牌電源具體要求是：AC-DC從PFC到DC輸出轉(zhuǎn)換效率達(dá)到94%; 待機(jī)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，平均無故障工作時間要達(dá)到一萬小時。

　　從節(jié)約能源及環(huán)境保護(hù)的要求，必須設(shè)計、制造最高效率的開關(guān)電源變換器。對于AC-DC，其效率要達(dá)到金牌標(biāo)準(zhǔn)，就必須達(dá)到90%以上。對于DC-DC，其效率要達(dá)到金牌標(biāo)準(zhǔn)，就必須達(dá)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(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)工藝為無鉛作業(yè)無污染作業(yè)。研讀這兩個最新的標(biāo)準(zhǔn)具體需求，轉(zhuǎn)換效率和待機(jī)功耗是其中非常重要的兩個量化指標(biāo)，而要滿足這兩個數(shù)字指標(biāo)的要求，對電源設(shè)計者及半導(dǎo)體廠商提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求。

　　新能效提出新挑戰(zhàn)

　　對于白金和鈦金牌系統(tǒng)，會有兩個“較新”的要求：(1)在現(xiàn)有負(fù)載點(20%、50%和100%)下具有更高的效率標(biāo)準(zhǔn);(2)新的10%負(fù)載點下最低工作效率要求。為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的要求，必需考慮電源控制技術(shù)以及半導(dǎo)體元件。

　　要獲得更高的效率，便必需考慮結(jié)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(fù)載范圍內(nèi)不同控制技術(shù)的效率曲線也不相同。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(后者在滿負(fù)載條件下具有出色的效率)。更高的平均效率意味著在所有負(fù)載點下更容易滿足最小值標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，必需考慮使用超級結(jié)MOSFET等具有低導(dǎo)通阻抗的半導(dǎo)體元件來降低開關(guān)損耗。最后，仍然需要使用開關(guān)電源(SMPS)專有技術(shù)，最大限度地提高給定設(shè)計的效率。

　　面對越來越嚴(yán)格的能效等級，電源半導(dǎo)體產(chǎn)品面臨著全新的技術(shù)需求挑戰(zhàn)，未來幾年，面對越來越嚴(yán)格的能效等級，新能源、照明、電信、智能電網(wǎng)、智能家電等市場都具有巨大的增長空間，智能化電源將會受到越來越多的青睞。另外，嚴(yán)格的能效等級也會促進(jìn)電源管理產(chǎn)品向高效、節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展。如何提高系統(tǒng)電源的效率是市場所關(guān)心的問題之一，注重滿載效率的同時，輕載效率，靜態(tài)功耗也成為設(shè)計人員的關(guān)注點。

　　安森美半導(dǎo)體電源市場全球銷售及營銷高級總監(jiān)鄭兆雄總結(jié)電源半導(dǎo)體產(chǎn)品的主體發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下方面。

　　1 高能效：提高從滿負(fù)載到待機(jī)(空載)等完整負(fù)載范圍內(nèi)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)化的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計更小電源、提高集成度、降低物料單(BOM)元件數(shù)量及成本。

　　3 全球法規(guī)及能效標(biāo)準(zhǔn)更趨嚴(yán)格：要確保方案符合規(guī)范要求，配合功率因數(shù)校正(PFC)及待機(jī)能耗要求。

　　電源管理與功率半導(dǎo)體是改善能效中非常重要的兩個部分。在日常生活中，功率半導(dǎo)體應(yīng)用于從移動通信到航天電子的廣泛電子應(yīng)用之中。最普遍的功率應(yīng)用是轉(zhuǎn)換、管理和分配。這些應(yīng)用的基本子系統(tǒng)包括AC-DC、DC-DC和DC-AC，所有三種子系統(tǒng)的主要發(fā)展推動力量是采用性能更高的開關(guān)和控制電路。發(fā)展趨勢是在系統(tǒng)加入更多的功率電子內(nèi)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(tǒng)監(jiān)控和保護(hù)。為了迎合系統(tǒng)發(fā)展趨勢，功率半導(dǎo)體供應(yīng)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(zhuǎn)向Super Junction (電荷平衡)技術(shù)，以期改善導(dǎo)通狀態(tài)電阻率(Rds(on))并實現(xiàn)快速開關(guān)。至于IGBT技術(shù)，則應(yīng)用溝槽技術(shù)來減小片上橫向隔離結(jié)構(gòu)的尺寸，有助于減小芯片面積，同時保持性能。據(jù)報道，功率分立器件供應(yīng)商幾乎達(dá)到了基底材料，硅材料的極限。因而，新材料半導(dǎo)體器件預(yù)計將會替代傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體器件。寬能帶隙(WBG)半導(dǎo)體器件如SiC和GaN開關(guān)正在涌現(xiàn)，這些器件采用高成本效益的工藝技術(shù)來達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，從而保障大批量生產(chǎn)率。大規(guī)模推出WBG半導(dǎo)體的速度取決于市場的需求。市場對高效率、高密度和高溫度應(yīng)用器件的需求不斷增長，推動功率半導(dǎo)體供應(yīng)商以較預(yù)期更快的速度投入WBG半導(dǎo)體產(chǎn)品的競爭之中。

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