半导体在改善能源效应中的角色

    历史发展进入现代工业社会后，能源已经成为人类文明进步的首要推动力。伴随着最近20年全球经济的稳定发展，全球能源消耗总量更是一直在持续攀升。2007年全球能源消耗保持强劲，主要能源消耗比上一年增长了2.4%，这一数字仅比2006年的2.7%略低。消费增长最大的是亚太地区，中国增加了7.7%，这已是2002年以来最低涨幅，而国际能源组织（IEA）甚至预言中国将在2010年之前取代美国成为耗电量最大的国家。根据国际能源年鉴的预测，2010年的世界能源消耗市场将达到511千兆BTU（英制热量单位，1 BTU约等于1055焦耳），2030年增加到702千兆BTU，比当前的能耗需求增加了一半还多。

    随着大量能源被消耗掉，尤其是不可再生能源，接踵而来的是日益凸现的能源危机和环境保护问题。在我们努力开发风能、太阳能这些替代能源的同时，还必须寻找新的途径，力求以更少的能源消耗完成更多的任务，并且改善温室效应导致的环境恶化。

    集成电路被寄予了厚望。随着过去半个世纪的技术创新，特别是在微电子领域，能源的利用已经成为生产力以及世界各地人民生活水平提高的主要推动力。半导体技术的持续进步对家庭，工厂和运输系统的能源使用效率，以及可再生能源使用效率的提高做出了巨大贡献。采用先进节能技术的芯片在工作时可以发挥更高的效率。在系统处于待机状态时，又可减少系统的功耗，两方面都对较少排放温室气体有很大的贡献。部分电子产品甚至可利用感测功能应对供电系统的突然变化，灵活调整操作避开高峰用电时段。例如，部分电热水炉的家电产品设有时延功能，可将正常操作延迟至高峰时段之后。

图1 主要的电能消耗

图2目前的能效评级

    事实上，电能的流动过程就像一条链条，从电源的产生，到电源的输送，再最终到各种不同的电能消费。每个环节都有功率变换器，每次功率变换就意味着能源损耗。为了把损耗降到最低，必须在各种不同的化解采用不同的器件和芯片。据统计，在我们采用电力设备将初始的能源材料成为电能后，51%电能消耗在电机驱动上，照明占据了19%的电能，加热和制冷以及IT应用的电力消耗分别有16%和14%。

    “每一个分类应用都有很大的节能空间。”Fairchild中国及东南亚地区销售副总裁陈坤和告诉记者：“如果把所有的单相AC电机换成可变速电机，可节省多达40%的电量；采用高效率的开关电源能带来35%的电能节省；用CFL照明代替白炽灯泡，单单照明应用就可减少75%的电能，如果进一步使用LED带来的能效会更高。”

    电机驱动：迈向电子控制

    全球一半的电力消耗是用于电机驱动，由电机驱动的电器遍布于生活的每一个角落，例如，空调、洗衣机、电梯、电动自行车、跑步机等等。因此，效率低下的电机带来极大的电量浪费，根据EPRI、 ACEEE 、IMS research多家机构的综合估算，每年约有73亿美元的电能因为低驱动效率而浪费掉。

    随着美国、欧盟和中国等主要市场对能效规范越来越严格以及能源价格上升带来的市场压力，采用高效的电子控制电机已经势在必行。在韩国，如果100万台40hp的电机转为采用高效能电机，每年总体电能消耗将下降2%。因为，从非逆变器交流驱动转用逆变控制驱动能够提高20%的能效，而由逆变器驱动的无刷电机（BLDC）可节能多到40%。

    电机控制电子化优势很多。据陈坤和介绍，因为无刷直流及开关磁阻电机需要电子控制来产生转矩，而变频控制让交流感应电机可以变速运作。此外，许多应用都要求对所控制的过程中的一个或者多个参数进行专门控制，例如卷扬系统（Winding System）中可能使用恒力矩来提供张力，这就要求精确的速度、转矩和功率控制，这些只有采用电子控制才能带来。而且，电子控制可让交流感应、无刷直流、以及开关电磁阻电机进行动态微调，以满足不断增长的电机应用需求，并提供更高的效率。而如果采用功率因素校正（PFC）技术，电子控制就能够从电力线路获取能量，减少电网的负担。

    陈坤和介绍了Fairchild的一款200W无刷直流电机产品FalconEye，因为采用了PFC技术功率因数超过了95%，功率级（power stage）使用了Motion-SPM（智能功率模块）从而简化设计降低BOM成本。电源采用的是绿色FPS和光隔离误差放大器，整流器是600V的IGBT。
    
    空调：从感应电机转向永磁电机

    2008年中国空调机的出货量预计是6000万台，而到2011年将接近7000万台，其中只有500万台是变频空调，不到10%。因此作为电机控制的典型应用，空调的节能空间非常大。表1是中国和欧洲空调机的能效标准对比。中国新的能效标准将在2009年3月份实施，原来计划是1月份。能效标准会从入门级5级2.6升到2级3.2。变频空调能效比的标准也在制定中，很快会实施。据IR中国应用中心高级经理李明透露，变频空调能效比应该是3.0，3级是3.9。

表1 空调机的能效标准：中国和欧洲的对比

    虽然空调是属于制冷，但全部都是靠压缩机、电机来实现的。如果从感应电机转为永磁电机，采用内线磁棒式的永磁电机，电能损耗可以从13%降到4.8%。另外还可以采用永磁电机控制系统和永磁电机调速。IR的iMotion永磁电机控制综合平台是一个永磁电机调速平台，它集成了数字控制器、模拟接口和功率半导体，并且通过固件、算法和软件工具对家用电器中的永磁同步电动机（PMSM）进行无传感器变速电动机控制。iMotion平台可以用于空调室外机的压缩机和风机的控制，两台电动机用无传感器PM正弦波控制；由于采用先进的控制算法，可以使用单转子压缩机。

图3 IR的iMotion永磁电机控制综合设计平台

    作为iMotion平台的核心只能电机控制芯片组，IRMCK300系列包含2个重要的组成部分，MCE和一个8位MCU组成的混合型控制IC。电动机控制引擎（MCE）针对永磁电机传感器的控制算法，预先写好控制算法，以硬件的方式实现无传感器永磁电动机控制和功率因数校正控制。空调控制系统由三部分组成，一个是60MIPS的8051 8位MCU；一个运动控制引擎（MCE），是一个可配置控制电路模块；还有一个模拟信号引擎（ASE）包括信号处理和12位的ADC。运动控制引擎完全是一个模块式的芯片，要组成一个控制算法的时候，只需要把其中提供的功能块通过IR提供的工具连接起来就可以。例如，PI调节器，滤波器，可以通过软件工具连成希望达成的控制算法，不需编写底层软件。

    随着政府对空调能耗的规范越来越严格，在今后两年，空调机的COP（制冷机的性能系数）将提高到3.4，在今后五年COP系数将可能超过5。按照3500瓦的制冷量计算，如果变频空调和定频空调的COP提升到5.5，使用空调的家庭一年500小时可以节省240元人民币。以2008年中国6000万台的空调机生产量为例，一年的节电量，可以在240亿度电，相当于可以少建24个10亿度电发电规模的电厂。

    改善电源芯片效能：做的还不够

    在电机控制、电源和照明三大应用中，电源的节能效率应该是最高的，从过去的低于60%一直增长到今后的远远超过90%，但是依然还有很多可以改善的细节。另外一个趋势是，系统的小型化使得整个系统变得越来越小，英飞凌高级技术总监里欧.劳伦斯博士认为，到2010年，电源系统将会只有现在的20%大小，再过十年，还将降低5倍。

图4红框中的部分是可以利用新的元件提升整体系统的效能

    至于如何改善电源的能效，ON Semiconductor汽车及电源管理产品部全球销售及市场总监郑兆雄认为可以从三点入手，一是功率因数校正（PFC）能效，其次是主转换器的效率，最后是次级整流的效率。图4红框中的部分是可以利用新的元件提升整体系统的效能。

    改善PFC的改善目标是实现96%的功率因数。可以采用无桥PFC减少桥损耗，在高功率应用中使用交错使PFC，或者采用IC技术较少开关损耗，采用更好的拓扑结构较少EMI滤波器损耗。另外，像英飞凌在PFC的高压MOSFET和二极管制造工艺方面采用了CoolMOS，节能潜力可以达到2%～3%。主转换器段的节能潜力也可达到1%～2%，其设计考量包括：采用降低导通阻抗或者减小初级峰值电流和均方根电流来降低初级导电损耗；用软开关技术降低开关损耗；用低正向压降二极管或FET整流器，减少整流器压降，从而降低次级损耗；采用更好的磁芯材料降低磁芯损耗，等等。此外，用次级整流同步降压转换器和DC-DC软开关技术可以进一步提升次级整流方案的3%～4%的效率。

    而在电源管理芯片方面，未来一代的产品应该有灵活应变的特色，可以应对负载的变化迅速调整功能。例如，中央处理器若无需要以最高平率工作，可以调低其时钟频率减少功耗。此外，时钟频率一旦下调，供电电压也应随之下调，有助于进一步减少功耗。最新的集成电路设计更特别为中央处理器、数字信号处理器、ASIC等耗电量较大的内核分别提供独立而又可以加以设定的输出电压。内核附近的传感器负责判断内核所需的最低工作电压。无论采用最高还是最低功率，又或是待机工作模式，未来一代的电源管理芯片都应该发挥最高的转换效率。

    以平板电视为例，它已经成为四大高能耗家用电器之一，各个国家都在节能和环保方面建立了相应标准，比如将于2008年11月生效的美国“能源之星”电视产品3.0规范。这些标准引入以引导消费者使用更加节能的产品，同时对产品的进入提高了技术门槛。

表2 美国“能源之星”电视产品3.0规范将于2008年11月生效

    平板电视的节能设计主要在体现在两个方面，电源和整机设计，而降低待机功耗是电源设计的重要话题。美国加州的监管机构规定新产品不能超过规定标准，国际相关组织也有非强制性的产品标签规定，但大致上待机功耗规定必须在0.3W～3W之间。对于可以利用遥控功能唤醒的电视机及电子消费产品，点击功耗甚至可以低至0.1W。

    据海信电器有限公司副总裁战嘉瑾介绍，海信现在设计的待机功耗，保证在50W的负载条件下，输入功率小于100mW。同时采用专用的待机电源和待机MCU，最大限度的降低待机功耗。

    至于降低开机状态下的能耗，战嘉瑾介绍说海信的方法是提高传统单电源方式的转换效率。目前线型的电源转换效率，一般在82%左右。海信在2005年开始把电源方案改成双正机的方案，可以提高效率到87%。2007年用LLC谐振变换器的方案，转换效率可以达到90%。以200W的液晶电视为例，效率提高8%意味着单台整机可以节省16W的电量。

    移动设备：凝聚在其中的电源管理智慧

    快速增长的个人移动设备是近年来牵动IC市场发展的引擎，为了延长电池的使用寿命，不仅要求IC本身低功耗，更需要在显示、LED驱动、音频等方面（如图5）进行电源管理；同时，还要求IC体积小巧、集成更多功能；并提供各种不同设计工具及相关资源，以加快整个设计过程。

    例如，美国国家半导体（NS公司）把其专利的PowerWise电源管理技术用于各种芯片中。

图5 NS的PowerWise移动系统解决方案

    MPL　在移动设备的显示屏方面,MPL（移动像素链路）可以降低链路地功耗，方法是把并行信号变成高速串行信号，这样便可采用更小巧的连接器及柔性PCB（印制电路板），好处是可以减少电磁干扰和功耗，并使最终产品小巧纤薄。

    LED驱动器　PowerWise灯光管理解决方案中，NS推出了创新的LED RGB（红/绿/蓝）驱动器。目前手机主要是白光背光的。白光背光不是纯白，这是因为白光LED的光谱分布与LCD的彩色滤波器不能互相配合，而RGB LED的光谱与LCD的可配合，因而不会滤除任何光线，可以达到100%色域，可以让图像更加明亮。而且白光驱动有较高的能耗；但用RGB背光，并加上滤波器，用户能达到良好的颜色效果。诸如NS的LP5520 RGB LED背光系统可以取保显示其的画面色彩亮丽，而且功耗更少。

图6  白光LED的光谱及LCD的彩色滤波器

    音频　音频部分涉及Boomer D类放大器，装饰灯驱动器、音频子系统、远场噪音抑制技术等。NS的采用远场噪音抑制技术的模拟音频麦克风阵列芯片，其耗电比采用数字处理器的数字方案少90%，而且语音清晰度完全不受影响。

    延长电池寿命　长时间打电话手机会发烫，其原因是PA（功放）工作时间较长。为什么工作长时间会发烫呢？现在的手机基本供电是从电池来的，无论手机距离电池多近，都是同样的效果。NS的自适应射频（RF）功率芯片可以测到信号的强弱，然后通过SuPA控制PA的电源，以此延长电池的寿命。

    PowerWise　AVS（自适应电压调节）技术的功耗比同类数字系统解决方案少64%。它可以放在SoC里面，以监控闭环电路的性能，可以因应不同的系统负载灵活做出调整。

    结语

    目前，我们正面对两大危机：一是电力供应趋于不稳定，另外温室效应对环境的影响能够越来越大。为了化解危机，世界各国都在制订新的监管法案，规定新的电子产品必须符合环保法例。汽车是首当其冲的一个，为了控制尾气排放，很多机械的部件将为别电子器件取代，欧.劳伦斯博士指出，现在超过70%的汽车的创新都是通过功率电子来实现的，主要的目标是为了降低燃料的消耗，增加能效，并且控制尾气排放。

    针对电力供应负荷的问题，遭遇过几次大停电的美国政府也在考虑家电产品是否应该加入特别的感测功能，以确定供电系统是否已超负荷。系统设计工程师应该具有前瞻的眼光，将这类产品付诸于实际设计中。