半導(dǎo)體在改善能源效應(yīng)中的角色

　　歷史發(fā)展進(jìn)入現(xiàn)代工業(yè)社會后，能源已經(jīng)成為人類文明進(jìn)步的首要推動力。伴隨著最近20年全球經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展，全球能源消耗總量更是一直在持續(xù)攀升。2007年全球能源消耗保持強(qiáng)勁，主要能源消耗比上一年增長了2.4%，這一數(shù)字僅比2006年的2.7%略低。消費(fèi)增長最大的是亞太地區(qū)，中國增加了7.7%，這已是2002年以來最低漲幅，而國際能源組織（IEA）甚至預(yù)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(jù)國際能源年鑒的預(yù)測，2010年的世界能源消耗市場將達(dá)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(dāng)前的能耗需求增加了一半還多。

　　隨著大量能源被消耗掉，尤其是不可再生能源，接踵而來的是日益凸現(xiàn)的能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)問題。在我們努力開發(fā)風(fēng)能、太陽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(yīng)導(dǎo)致的環(huán)境惡化。

　　集成電路被寄予了厚望。隨著過去半個(gè)世紀(jì)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力。半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步對家庭，工廠和運(yùn)輸系統(tǒng)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(xiàn)。采用先進(jìn)節(jié)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(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，又可減少系統(tǒng)的功耗，兩方面都對較少排放溫室氣體有很大的貢獻(xiàn)。部分電子產(chǎn)品甚至可利用感測功能應(yīng)對供電系統(tǒng)的突然變化，靈活調(diào)整操作避開高峰用電時(shí)段。例如，部分電熱水爐的家電產(chǎn)品設(shè)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，電能的流動過程就像一條鏈條，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(fèi)。每個(gè)環(huán)節(jié)都有功率變換器，每次功率變換就意味著能源損耗。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(jù)統(tǒng)計(jì)，在我們采用電力設(shè)備將初始的能源材料成為電能后，51%電能消耗在電機(jī)驅(qū)動上，照明占據(jù)了19%的電能，加熱和制冷以及IT應(yīng)用的電力消耗分別有16%和14%。

　　“每一個(gè)分類應(yīng)用都有很大的節(jié)能空間。”Fairchild中國及東南亞地區(qū)銷售副總裁陳坤和告訴記者：“如果把所有的單相AC電機(jī)換成可變速電機(jī)，可節(jié)省多達(dá)40%的電量；采用高效率的開關(guān)電源能帶來35%的電能節(jié)?。挥肅FL照明代替白熾燈泡，單單照明應(yīng)用就可減少75%的電能，如果進(jìn)一步使用LED帶來的能效會更高。”

電機(jī)驅(qū)動：邁向電子控制

　　全球一半的電力消耗是用于電機(jī)驅(qū)動，由電機(jī)驅(qū)動的電器遍布于生活的每一個(gè)角落，例如，空調(diào)、洗衣機(jī)、電梯、電動自行車、跑步機(jī)等等。因此，效率低下的電機(jī)帶來極大的電量浪費(fèi)，根據(jù)EPRI、 ACEEE 、IMS research多家機(jī)構(gòu)的綜合估算，每年約有73億美元的電能因?yàn)榈万?qū)動效率而浪費(fèi)掉。

　　隨著美國、歐盟和中國等主要市場對能效規(guī)范越來越嚴(yán)格以及能源價(jià)格上升帶來的市場壓力，采用高效的電子控制電機(jī)已經(jīng)勢在必行。在韓國，如果100萬臺40hp的電機(jī)轉(zhuǎn)為采用高效能電機(jī)，每年總體電能消耗將下降2%。因?yàn)?，從非逆變器交流?qū)動轉(zhuǎn)用逆變控制驅(qū)動能夠提高20%的能效，而由逆變器驅(qū)動的無刷電機(jī)（BLDC）可節(jié)能多到40%。

　　電機(jī)控制電子化優(yōu)勢很多。據(jù)陳坤和介紹，因?yàn)闊o刷直流及開關(guān)磁阻電機(jī)需要電子控制來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，而變頻控制讓交流感應(yīng)電機(jī)可以變速運(yùn)作。此外，許多應(yīng)用都要求對所控制的過程中的一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)進(jìn)行專門控制，例如卷揚(yáng)系統(tǒng)（Winding System）中可能使用恒力矩來提供張力，這就要求精確的速度、轉(zhuǎn)矩和功率控制，這些只有采用電子控制才能帶來。而且，電子控制可讓交流感應(yīng)、無刷直流、以及開關(guān)電磁阻電機(jī)進(jìn)行動態(tài)微調(diào)，以滿足不斷增長的電機(jī)應(yīng)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路獲取能量，減少電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。

　　陳坤和介紹了Fairchild的一款200W無刷直流電機(jī)產(chǎn)品FalconEye，因?yàn)椴捎昧薖FC技術(shù)功率因數(shù)超過了95%，功率級（power stage）使用了Motion-SPM（智能功率模塊）從而簡化設(shè)計(jì)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(diào)：從感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)向永磁電機(jī)

　　2008年中國空調(diào)機(jī)的出貨量預(yù)計(jì)是6000萬臺，而到2011年將接近7000萬臺，其中只有500萬臺是變頻空調(diào)，不到10%。因此作為電機(jī)控制的典型應(yīng)用，空調(diào)的節(jié)能空間非常大。表1是中國和歐洲空調(diào)機(jī)的能效標(biāo)準(zhǔn)對比。中國新的能效標(biāo)準(zhǔn)將在2009年3月份實(shí)施，原來計(jì)劃是1月份。能效標(biāo)準(zhǔn)會從入門級5級2.6升到2級3.2。變頻空調(diào)能效比的標(biāo)準(zhǔn)也在制定中，很快會實(shí)施。據(jù)IR中國應(yīng)用中心高級經(jīng)理李明透露，變頻空調(diào)能效比應(yīng)該是3.0，3級是3.9。

表1 空調(diào)機(jī)的能效標(biāo)準(zhǔn)：中國和歐洲的對比


　　雖然空調(diào)是屬于制冷，但全部都是靠壓縮機(jī)、電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。如果從感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)為永磁電機(jī)，采用內(nèi)線磁棒式的永磁電機(jī)，電能損耗可以從13%降到4.8%。另外還可以采用永磁電機(jī)控制系統(tǒng)和永磁電機(jī)調(diào)速。IR的iMotion永磁電機(jī)控制綜合平臺是一個(gè)永磁電機(jī)調(diào)速平臺，它集成了數(shù)字控制器、模擬接口和功率半導(dǎo)體，并且通過固件、算法和軟件工具對家用電器中的永磁同步電動機(jī)（PMSM）進(jìn)行無傳感器變速電動機(jī)控制。iMotion平臺可以用于空調(diào)室外機(jī)的壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的控制，兩臺電動機(jī)用無傳感器PM正弦波控制；由于采用先進(jìn)的控制算法，可以使用單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。

圖3 IR的iMotion永磁電機(jī)控制綜合設(shè)計(jì)平臺

　　作為iMotion平臺的核心只能電機(jī)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。電動機(jī)控制引擎（MCE）針對永磁電機(jī)傳感器的控制算法，預(yù)先寫好控制算法，以硬件的方式實(shí)現(xiàn)無傳感器永磁電動機(jī)控制和功率因數(shù)校正控制?？照{(diào)控制系統(tǒng)由三部分組成，一個(gè)是60MIPS的8051 8位MCU；一個(gè)運(yùn)動控制引擎（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(yùn)動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IR提供的工具連接起來就可以。例如，PI調(diào)節(jié)器，濾波器，可以通過軟件工具連成希望達(dá)成的控制算法，不需編寫底層軟件。

　　隨著政府對空調(diào)能耗的規(guī)范越來越嚴(yán)格，在今后兩年，空調(diào)機(jī)的COP（制冷機(jī)的性能系數(shù)）將提高到3.4，在今后五年COP系數(shù)將可能超過5。按照3500瓦的制冷量計(jì)算，如果變頻空調(diào)和定頻空調(diào)的COP提升到5.5，使用空調(diào)的家庭一年500小時(shí)可以節(jié)省240元人民幣。以2008年中國6000萬臺的空調(diào)機(jī)生產(chǎn)量為例，一年的節(jié)電量，可以在240億度電，相當(dāng)于可以少建24個(gè)10億度電發(fā)電規(guī)模的電廠。

改善電源芯片效能：做的還不夠

　　在電機(jī)控制、電源和照明三大應(yīng)用中，電源的節(jié)能效率應(yīng)該是最高的，從過去的低于60%一直增長到今后的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過90%，但是依然還有很多可以改善的細(xì)節(jié)。另外一個(gè)趨勢是，系統(tǒng)的小型化使得整個(gè)系統(tǒng)變得越來越小，英飛凌高級技術(shù)總監(jiān)里歐.勞倫斯博士認(rèn)為，到2010年，電源系統(tǒng)將會只有現(xiàn)在的20%大小，再過十年，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(tǒng)的效能

　　至于如何改善電源的能效，ON Semiconductor汽車及電源管理產(chǎn)品部全球銷售及市場總監(jiān)鄭兆雄認(rèn)為可以從三點(diǎn)入手，一是功率因數(shù)校正（PFC）能效，其次是主轉(zhuǎn)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(tǒng)的效能。

　　改善PFC的改善目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)96%的功率因數(shù)?？梢圆捎脽o橋PFC減少橋損耗，在高功率應(yīng)用中使用交錯使PFC，或者采用IC技術(shù)較少開關(guān)損耗，采用更好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)能潛力可以達(dá)到2%～3%。主轉(zhuǎn)換器段的節(jié)能潛力也可達(dá)到1%～2%，其設(shè)計(jì)考量包括：采用降低導(dǎo)通阻抗或者減小初級峰值電流和均方根電流來降低初級導(dǎo)電損耗；用軟開關(guān)技術(shù)降低開關(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(zhuǎn)換器和DC-DC軟開關(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，未來一代的產(chǎn)品應(yīng)該有靈活應(yīng)變的特色，可以應(yīng)對負(fù)載的變化迅速調(diào)整功能。例如，中央處理器若無需要以最高平率工作，可以調(diào)低其時(shí)鐘頻率減少功耗。此外，時(shí)鐘頻率一旦下調(diào)，供電電壓也應(yīng)隨之下調(diào)，有助于進(jìn)一步減少功耗。最新的集成電路設(shè)計(jì)更特別為中央處理器、數(shù)字信號處理器、ASIC等耗電量較大的內(nèi)核分別提供獨(dú)立而又可以加以設(shè)定的輸出電壓。內(nèi)核附近的傳感器負(fù)責(zé)判斷內(nèi)核所需的最低工作電壓。無論采用最高還是最低功率，又或是待機(jī)工作模式，未來一代的電源管理芯片都應(yīng)該發(fā)揮最高的轉(zhuǎn)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(jié)能和環(huán)保方面建立了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，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(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)引入以引導(dǎo)消費(fèi)者使用更加節(jié)能的產(chǎn)品，同時(shí)對產(chǎn)品的進(jìn)入提高了技術(shù)門檻。

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

　　平板電視的節(jié)能設(shè)計(jì)主要在體現(xiàn)在兩個(gè)方面，電源和整機(jī)設(shè)計(jì)，而降低待機(jī)功耗是電源設(shè)計(jì)的重要話題。美國加州的監(jiān)管機(jī)構(gòu)規(guī)定新產(chǎn)品不能超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，國際相關(guān)組織也有非強(qiáng)制性的產(chǎn)品標(biāo)簽規(guī)定，但大致上待機(jī)功耗規(guī)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(jī)及電子消費(fèi)產(chǎn)品，點(diǎn)擊功耗甚至可以低至0.1W。

　　據(jù)海信電器有限公司副總裁戰(zhàn)嘉瑾介紹，海信現(xiàn)在設(shè)計(jì)的待機(jī)功耗，保證在50W的負(fù)載條件下，輸入功率小于100mW。同時(shí)采用專用的待機(jī)電源和待機(jī)MCU，最大限度的降低待機(jī)功耗。

　　至于降低開機(jī)狀態(tài)下的能耗，戰(zhàn)嘉瑾介紹說海信的方法是提高傳統(tǒng)單電源方式的轉(zhuǎn)換效率。目前線型的電源轉(zhuǎn)換效率，一般在82%左右。海信在2005年開始把電源方案改成雙正機(jī)的方案，可以提高效率到87%。2007年用LLC諧振變換器的方案，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到90%。以200W的液晶電視為例，效率提高8%意味著單臺整機(jī)可以節(jié)省16W的電量。

移動設(shè)備：凝聚在其中的電源管理智慧

　　快速增長的個(gè)人移動設(shè)備是近年來牽動IC市場發(fā)展的引擎，為了延長電池的使用壽命，不僅要求IC本身低功耗，更需要在顯示、LED驅(qū)動、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(shè)計(jì)工具及相關(guān)資源，以加快整個(gè)設(shè)計(jì)過程。
例如，美國國家半導(dǎo)體（NS公司）把其專利的PowerWise電源管理技術(shù)用于各種芯片中。

圖5 NS的PowerWise移動系統(tǒng)解決方案

　　MPL　在移動設(shè)備的顯示屏方面,MPL（移動像素鏈路）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(qū)動器　PowerWise燈光管理解決方案中，NS推出了創(chuàng)新的LED RGB（紅/綠/藍(lán)）驅(qū)動器。目前手機(jī)主要是白光背光的。白光背光不是純白，這是因?yàn)榘坠釲ED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，因而不會濾除任何光線，可以達(dá)到100%色域，可以讓圖像更加明亮。而且白光驅(qū)動有較高的能耗；但用RGB背光，并加上濾波器，用戶能達(dá)到良好的顏色效果。諸如NS的LP5520 RGB LED背光系統(tǒng)可以取保顯示其的畫面色彩亮麗，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類放大器，裝飾燈驅(qū)動器、音頻子系統(tǒng)、遠(yuǎn)場噪音抑制技術(shù)等。NS的采用遠(yuǎn)場噪音抑制技術(shù)的模擬音頻麥克風(fēng)陣列芯片，其耗電比采用數(shù)字處理器的數(shù)字方案少90%，而且語音清晰度完全不受影響。 

　　延長電池壽命　長時(shí)間打電話手機(jī)會發(fā)燙，其原因是PA（功放）工作時(shí)間較長。為什么工作長時(shí)間會發(fā)燙呢？現(xiàn)在的手機(jī)基本供電是從電池來的，無論手機(jī)距離電池多近，都是同樣的效果。NS的自適應(yīng)射頻（RF）功率芯片可以測到信號的強(qiáng)弱，然后通過SuPA控制PA的電源，以此延長電池的壽命。

　　PowerWise　AVS（自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)）技術(shù)的功耗比同類數(shù)字系統(tǒng)解決方案少64%。它可以放在SoC里面，以監(jiān)控閉環(huán)電路的性能，可以因應(yīng)不同的系統(tǒng)負(fù)載靈活做出調(diào)整。

結(jié)語

　　目前，我們正面對兩大危機(jī)：一是電力供應(yīng)趨于不穩(wěn)定，另外溫室效應(yīng)對環(huán)境的影響能夠越來越大。為了化解危機(jī)，世界各國都在制訂新的監(jiān)管法案，規(guī)定新的電子產(chǎn)品必須符合環(huán)保法例。汽車是首當(dāng)其沖的一個(gè)，為了控制尾氣排放，很多機(jī)械的部件將為別電子器件取代，歐.勞倫斯博士指出，現(xiàn)在超過70%的汽車的創(chuàng)新都是通過功率電子來實(shí)現(xiàn)的，主要的目標(biāo)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(yīng)負(fù)荷的問題，遭遇過幾次大停電的美國政府也在考慮家電產(chǎn)品是否應(yīng)該加入特別的感測功能，以確定供電系統(tǒng)是否已超負(fù)荷。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該具有前瞻的眼光，將這類產(chǎn)品付諸于實(shí)際設(shè)計(jì)中。