守望綠色
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編者按：節(jié)能就是金錢，對于絕大多數(shù)消費(fèi)品來說節(jié)能已經(jīng)成為重要的市場競爭力之一。實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的節(jié)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)的話題是電子污染。電子垃圾已經(jīng)成為威脅人類生存的重要敵人。近年來，人們已經(jīng)開始從源頭對電子污染加以嚴(yán)格控制，歐盟的RoHS和中國更為嚴(yán)格的電子產(chǎn)品安全管理?xiàng)l例，都盡可能阻止重金屬離子對環(huán)境的進(jìn)一步污染，據(jù)悉，歐盟已經(jīng)計(jì)劃在2008年推行更為嚴(yán)格的REACH標(biāo)準(zhǔn)。
節(jié)能與環(huán)保是電子產(chǎn)業(yè)必須面對的生存問題，我們特別選擇了幾家在電子產(chǎn)業(yè)鏈的不同環(huán)節(jié)上有代表性的企業(yè)，以他們的親身經(jīng)驗(yàn)來指點(diǎn)一條通向綠色電子制造的坦途。
在美國，僅“服務(wù)器市場”消耗的電能就足夠讓 5 個(gè)巨型發(fā)電廠日夜不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，在這樣的電量消耗水平上，每年節(jié)省 1% 的電能就可能節(jié)省 2700 萬美元。這個(gè)熱門問題已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。自上世紀(jì) 90 年代中期以來，凌力爾特推出了很多同時(shí)具有高效率轉(zhuǎn)換和低靜態(tài)電流的電源管理集成電路，采用了已獲專利的突發(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(tǒng)設(shè)計(jì)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?yàn)檫@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(yīng)用提供的產(chǎn)品有很多優(yōu)勢，其中包括：高開關(guān)頻率(高達(dá) 8MHz)、在輕負(fù)載和滿負(fù)載時(shí)高效率轉(zhuǎn)換(高達(dá) 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(shù)由電池供電的手持式產(chǎn)品采用專用集成電路(ASIC 或 PMIC)來滿足電池充電、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(zhǔn)確 USB 限流等保護(hù)功能。大多數(shù)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(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(zhàn)。直到最近，設(shè)計(jì)師們一直試圖用大量 MOSFET、運(yùn)算放大器和此類器件以分立方式實(shí)現(xiàn)這一功能，但是面臨著熱插拔、大浪涌電流等大量問題，這些問題會引起嚴(yán)重的系統(tǒng)問題。
根據(jù)大多數(shù)市場調(diào)查公司的數(shù)據(jù)，2007年電源管理半導(dǎo)體芯片的全球市場收入將達(dá)到 270 億美元。其中，亞太(包括中國)市場的收入將達(dá)到約 100 億美元。這使得中國成為重要地區(qū)，這不僅體現(xiàn)在生產(chǎn)上，而且體現(xiàn)在中國作為最終市場的重要性不斷提升上。另外，美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(SIA)預(yù)測，在 2007年，全球模擬半導(dǎo)體芯片市場規(guī)模將達(dá)到約 430 億美元，其中高性能器件將占相當(dāng)大部分。這些數(shù)字背后的市場驅(qū)動力量主要是蜂窩電話、智能電話、媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字媒體廣播(DMB)系統(tǒng)和個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備(PND)等由電池供電的手持式產(chǎn)品，它們需要較長的電池工作時(shí)間和多種電源電壓?！?/P>
無論是哪一地區(qū)還是哪一市場，節(jié)能或是高能源效率產(chǎn)品都深受客戶歡迎。
產(chǎn)品的能源效率有三個(gè)不同層次的含意：對于廣大的用戶來說，高能源效率產(chǎn)品等同于低能耗產(chǎn)品，他們都希望藉著更高的效率可以減低電費(fèi)方面的開支。對于公共機(jī)構(gòu)、大小企業(yè)及政府機(jī)關(guān)來說，能源效率問題也就是環(huán)保問題。對于其他顧客來說，能源效率是個(gè)如何散熱的復(fù)雜問題。對于其他人來說，能源效率是個(gè)關(guān)乎電池壽命長短的問題。
國半一直致力為節(jié)能要求極高的電子產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)新的集成電路及工藝技術(shù)，其中包括國半專有的BiCMOS-8 工藝技術(shù)、已注冊專利的封裝技術(shù)、以至一系列全新的節(jié)能產(chǎn)品。這些節(jié)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(xiàn)高能源效率設(shè)計(jì)的產(chǎn)品(系統(tǒng)產(chǎn)品);國半的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)技術(shù)(專利技術(shù))。適用于單片機(jī)系統(tǒng)(SoC)的PowerWise技術(shù)采用自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS) 技術(shù)，因此可將數(shù)字處理器的功耗減少達(dá)70%。
除了PowerWise產(chǎn)品之外，國半還計(jì)劃推出各種設(shè)計(jì)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)助客戶設(shè)計(jì)能源效率要求極高的系統(tǒng)。
展望將來，能源效率/節(jié)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(zhàn)也來自這兩個(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)，成功開發(fā)多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，SuPA(即功率放大器供電系統(tǒng))技術(shù)不但可以延長電池壽命，而且還可解決CDMA/WCDMA手機(jī)的散熱問題。采用SuPA技術(shù)(例如LM3208芯片)可節(jié)省高達(dá)80%的能耗。
國半一直大力投資開發(fā)新的封裝技術(shù)。以功率密度為例來說，最新的 micro SMDxt 封裝技術(shù)便優(yōu)于同類競爭產(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(qū)動器解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者。
隨著國內(nèi)本地設(shè)計(jì)的總有效市場(TAM)不斷成長，高性能模擬芯片的市場需求也持續(xù)上升。加上國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)也開始轉(zhuǎn)型，由生產(chǎn)低成本的電子消費(fèi)產(chǎn)品轉(zhuǎn)為設(shè)計(jì)高性能的電子系統(tǒng)，令高效模擬芯片的市場需求更形殷切。對國內(nèi)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師來說，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(qiáng)其音響效果及畫面清晰度、延長電池壽命以及減低電磁干擾，確保產(chǎn)品有自己的獨(dú)特優(yōu)勢，這樣才可在市場上脫穎而出。若產(chǎn)品沒有競爭優(yōu)勢，無論怎樣削價(jià)促銷，到頭來只會被市場淘汰?！?/P>
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安森美半導(dǎo)體
電子產(chǎn)品的節(jié)能主要體現(xiàn)在提高電源工作效率，降低待機(jī)功耗和改善功率因數(shù)等。世界各國政府和國際組織也紛紛出臺相應(yīng)的節(jié)能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
從技術(shù)上講，安森美半導(dǎo)體積極開發(fā)和利用能夠滿足并超越各種節(jié)能法規(guī)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(shè)計(jì)在高電壓輸入時(shí)可以達(dá)到86.5%的滿載高能效，更接近計(jì)算產(chǎn)業(yè)氣候拯救行動(CSCI)組織提出的到2011年實(shí)現(xiàn)滿載下87%能效的要求。
從市場來看，由于競爭激烈，上市時(shí)間壓力大，客戶常常需要半導(dǎo)體制造商針對其應(yīng)用需求提供經(jīng)過驗(yàn)證的參考設(shè)計(jì)。針對這種需求，安森美半導(dǎo)體提供一系列的高能效GreenPoint參考設(shè)計(jì)，其應(yīng)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(shè)計(jì)再輔以安森美半導(dǎo)體提供的完整支持，可以全方面滿足客戶的需求。
對于電子產(chǎn)品來說，需要不斷提升其電源工作能效和改善功率因數(shù);此外，由于其在待機(jī)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浪費(fèi)，所以業(yè)界努力的一個(gè)重點(diǎn)便是降低待機(jī)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(jī)能耗和降低輕載能耗方面，常見的技術(shù)包括高壓啟動和動態(tài)自供電、跳周期和頻率回走等。安森美半導(dǎo)體還積極開發(fā)獨(dú)樹一幟的創(chuàng)新技術(shù)，如軟跳周期和待機(jī)狀態(tài)下關(guān)閉功率因數(shù)校正(PFC)功能等。如安森美半導(dǎo)體的NCP1271增強(qiáng)型PWM電流模式控制器采用軟跳周期技術(shù)來控制峰值電流，并消除一些開關(guān)脈沖，從而控制開關(guān)損耗，以實(shí)現(xiàn)空載、輕載狀態(tài)下的卓越高效性能;此外，安森美半導(dǎo)體的固定頻率電流型PWM控制器NCP1230和準(zhǔn)諧振電流模式PWM控制器NCP1381具有在待機(jī)狀態(tài)下關(guān)閉PFC的功能。當(dāng)芯片檢測到系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)時(shí)，會自動切斷PFC 的VCC供電。這樣等于省去了一個(gè)損耗環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)損耗。
中國市場是全球市場的重要組成部分，且其地位仍在不斷提升。以安森美半導(dǎo)體為例，僅中國市場所貢獻(xiàn)的營收就達(dá)37%。中國電子企業(yè)和工程師應(yīng)放眼全球市場，注重各種節(jié)能環(huán)保規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求和自身要肩負(fù)的社會責(zé)任，在設(shè)計(jì)中積極考慮并選用電源管理方面技術(shù)領(lǐng)先供應(yīng)商的高性能解決方案和參考設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(dǎo)體
開發(fā)節(jié)能方案和提高能效的產(chǎn)品是半導(dǎo)體制造商的寶貴商機(jī)。全球范圍內(nèi)實(shí)施的各種功效法規(guī)，比如能源之星(ENERGY STAR)、1瓦倡議、80 Plus和中國節(jié)能計(jì)劃，以及能源成本的不斷提高，都在推動對低功耗高能效產(chǎn)品的需求。
在可預(yù)見的未來，所有形式的節(jié)能都仍然是推動半導(dǎo)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(xù)增長，在電子產(chǎn)品業(yè)已飽和的其它地區(qū)也是如此。消費(fèi)者需要越來越多具有更多特性和功能的電子產(chǎn)品。
飛兆半導(dǎo)體的高能效解決方案主要用于電機(jī)控制、照明設(shè)備、電源和計(jì)算機(jī)應(yīng)用。飛兆半導(dǎo)體的節(jié)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(dá)12個(gè)獨(dú)立的芯片，可提供完整的集成功率管理解決方案。
FPS產(chǎn)品。能滿足低待機(jī)功耗規(guī)范，簡化設(shè)計(jì)，減小EMI輻射，并降低成本。飛兆半導(dǎo)體的FPS器件可將開關(guān)損耗降至1瓦以下，完全符合政府及機(jī)構(gòu)制定的相關(guān)規(guī)范。
Intelli MAX先進(jìn)負(fù)載開關(guān)。采用業(yè)界領(lǐng)先封裝，具有功率管理和保護(hù)功能，整合了最佳的低壓功率半導(dǎo)體和模擬控制電路。
功率因數(shù)校正 (PFC) 產(chǎn)品。這些控制器能將功效提至最高，降低電力線負(fù)載，并提高開關(guān)電源 (SMPS) 的功率因數(shù)，滿足“80 PLUS”計(jì)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(shù))。
SuperFET器件。這種新一代高壓MOSFET專為要求嚴(yán)苛的高效、高壓、快速轉(zhuǎn)換應(yīng)用而設(shè)計(jì)。典型應(yīng)用包括PFC、照明和AC/DC電源系統(tǒng)。
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集成式電機(jī)驅(qū)動解決方案(50VA到10kVA)。范圍廣泛的IGBT和MOSFET產(chǎn)品系列，適用于汽車、工業(yè)和消費(fèi)市場。
中國已逐漸成為全球經(jīng)濟(jì)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。主要的市場驅(qū)動力量是消費(fèi)電器領(lǐng)域，比如空調(diào)和白色商品，以及電視、DVD、機(jī)頂盒、手機(jī)及計(jì)算機(jī)等數(shù)字消費(fèi)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(diào)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(yù)計(jì)在中國，消費(fèi)類、超便攜、汽車和數(shù)字消費(fèi)產(chǎn)品仍將是快速增長的主要市場領(lǐng)域。不過，中國的能效提案將在未來發(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(xiàn)國家可持續(xù)性發(fā)展目標(biāo)存在艱巨的挑戰(zhàn)。高能效產(chǎn)品的開發(fā)將有助于推動中國電子業(yè)向下一階段發(fā)展和增長?！?/P>
RoHS實(shí)施對電子設(shè)計(jì)的最新影響和思考
歐盟RoHS最重大的影響是限制焊料內(nèi)含有鉛。無鉛焊料的使用本身不要求更改電氣設(shè)備設(shè)計(jì)，但歐盟RoHS要求對設(shè)計(jì)進(jìn)行更改。
更高溫度導(dǎo)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)的變形和脫層問題。無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(dǎo)致短路的錫須所帶來的影響。有研究指出，當(dāng)焊點(diǎn)遇到較高張力時(shí)，無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，無鉛焊料似乎表現(xiàn)更優(yōu)秀。設(shè)備的設(shè)計(jì)可最大限度降低焊點(diǎn)的張力，例如，通過避免使用大型芯片組件、無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(xiǎn)。
EMC性能要求面板之間有良好的傳導(dǎo)性，傳統(tǒng)上是基于六價(jià)鉻的鈍化涂層而實(shí)現(xiàn)。雖然有替代品，但可能不足以滿足在更苛刻環(huán)境中使用的設(shè)備的要求，可能需要能夠保證EMC性能的替代設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)工程師不能僅考慮計(jì)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(guī)范，并能夠承受回流溫度。然而，僅憑對遵從法規(guī)的供應(yīng)商的信心還不夠，供應(yīng)商的可靠性必須首先得到保證。像派睿電子這樣的供應(yīng)商已經(jīng)制訂了全面的措施，用于保證如果聲稱某個(gè)部件符合歐盟RoHS要求，則一定會符合要求，但并非所有供應(yīng)商都有這種嚴(yán)格的程序。
對設(shè)計(jì)工程師的影響：
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