提升能效,讓整個(gè)世界微笑

　　摘要：面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的能效等級(jí)，電源產(chǎn)品面臨著全新的技術(shù)需求挑戰(zhàn)，未來(lái)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(jì)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(jià)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(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗又不影響消費(fèi)者用戶體驗(yàn)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(dòng)設(shè)備工作，隨著消費(fèi)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(fèi)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(jiǎn)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(guó)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(guó)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(tái)，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(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(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(wú)故障工作時(shí)間要達(dá)到一萬(wàn)小時(shí)。

　　從節(jié)約能源及環(huán)境保護(hù)的要求，必須設(shè)計(jì)、制造最高效率的開關(guān)電源變換器。對(duì)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(duì)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，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(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(gè)量化指標(biāo)，而要滿足這兩個(gè)數(shù)字指標(biāo)的要求，對(duì)電源設(shè)計(jì)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(duì)于白金和鈦金牌系統(tǒng)，會(huì)有兩個(gè)“較新”的要求：(1)在現(xiàn)有負(fù)載點(diǎn)(20%、50%和100%)下具有更高的效率標(biāo)準(zhǔn);(2)新的10%負(fù)載點(diǎn)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(jí)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(diǎn)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(jí)結(jié)MOSFET等具有低導(dǎo)通阻抗的半導(dǎo)體元件來(lái)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(jì)的效率。

　　面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的能效等級(jí)，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(lái)幾年，面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的能效等級(jí)，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(zhǎng)空間，智能化電源將會(huì)受到越來(lái)越多的青睞。另外，嚴(yán)格的能效等級(jí)也會(huì)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(chǎng)所關(guān)心的問(wèn)題之一，注重滿載效率的同時(shí)，輕載效率，靜態(tài)功耗也成為設(shè)計(jì)人員的關(guān)注點(diǎn)。

　　安森美半導(dǎo)體電源市場(chǎng)全球銷售及營(yíng)銷高級(jí)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(shì)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(jì)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(gè)部分。在日常生活中，功率半導(dǎo)體應(yīng)用于從移動(dòng)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(dòng)力量是采用性能更高的開關(guān)和控制電路。發(fā)展趨勢(shì)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(fèi)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(shì)，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(shí)現(xiàn)快速開關(guān)。至于IGBT技術(shù)，則應(yīng)用溝槽技術(shù)來(lái)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(shí)保持性能。據(jù)報(bào)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(jì)將會(huì)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(lái)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(chǎng)的需求。市場(chǎng)對(duì)高效率、高密度和高溫度應(yīng)用器件的需求不斷增長(zhǎng)，推動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)之中。

　　即便市場(chǎng)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(jià)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(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(kuò)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(lái)減少實(shí)物的尺寸和降低其產(chǎn)品的總體成本。