节能:把绿色地球的噱头变成现实

绿色地球，宜居生活，对每个人而言都是一个听起来很美的口号，但是，要把这样一个口号真正的从宣传自己产品的噱头转变成惠及每个消费者的实实在在的环保理念，却是一个异常艰苦而长期的技术演进过程。

摘要：绿色能源概念其中重要的一环就是提升电源的效率，本文通过对多家半导体厂商的采访，试图探讨如何利用科技实现绿色能源的设计需求。

关键词：电源管理；数字电源；功率半导体；绿色能源绿色能源概念的推广

绿色能源概念的推广，看似是技术领域的事情，但如果单纯把实现绿色能源技术的普及和应用的责任全部加给技术厂商显然不够理性。从另一个角度我们也要看到，作为技术开发者和实现者，在推广任何技术特别是绿色能源概念的过程中，必，员考虑的不仅仅是技术本身的问题，还要思考如何应对让广大消费者接受并且乐于使用新鲜事物的挑战。

具体而言，对于涉及绿色能源概念推广的技术企业、在艰苦地进行新技术研发过程中，必须考虑到许多现实应用的问题，比如技术必须易于采用以确保整机设计者快速设计，技术必须能够保持足够的延伸性以适应终端产品的发展策略，技术的变革不能影响使用者的应用体验，甚至新技术的应用不能给产品带来太高的附加成本，至少要在短期内让消费者体验到节能带来的收益远大于他多付出的成本等等。

在绿色能源概念推广过程中，最受关注的是电源设计的变革。面对如此苛刻的技术与市场双重要求，电源半导体厂商必须对自己的开发策略进行有针对陛的选择，才能保证立于不败之地。绿色、环保、节能一直是这几年电源动力系统技术创新的重点。随着绿色技术在各行业的不断渗透、新的行业标准也在推动产品升级。照明、电信、智能电网、智能家电等领域同样具有巨大的增长空间，也是电源厂商重点关注的方向。节能主要体现在电源产品本身的节能和整体机房节能，而“绿色”主要体现在提高整机效率、减少对电网的干扰以及少占空间、节省成本等方面。另外，模块化电源、网络化电源等也是目前的关注焦点。模块化电源除了能提高电源供应的可靠性，企业自身还可根据用电负载选配模块。因此，厂商们如果想要在激烈的市场竞争中保持甚至提高市场占有率，持续技术和产品创新是重中之重。

绿色能源概念正在改变电源市场

区别于传统的电源设计，绿色能源概念要求电源具有更高的运行效率和更低的待机损耗，这就对电源市场提出以下几点全新要求：高轻载运行效率和低待机损耗变得越来越重要，决定新的控制和驱动芯片市场：由于可以提高系统运行效率，数字电源和电源管理被系统公司广泛接受：LED照明和光伏能源市场越来越热门：系统公司在重新评估他们的供电策略。

按照这个思路设计而成的绿色能源产品具有显著的市场优势，比如系统运行成本低，相同性能条件下系统的整体功耗可以降低20％以上，这可以直接节省大约15％的电力运营成本。另一个优势是系统集成度高，特别是对一些便携产品而言。在电子产品领域中，便携式产品是发展最迅速，也是最活跃的应用之一。便携式产品在处理能力上不断提高，越来越多的新功能不断出现。以手机为例来说，今天的智能手机中的主芯片处理能力几乎接近个人电脑。各种商务、娱乐、多媒体以及GPS功能都可以通过手机实现。美国国家半导体亚太区市场总监吴溜强表示，便携式电子产品对模拟芯片功能的几个基本诉求一直没有改变，比如支持越来越高质量的音视频用户体验，更小的方案尺寸，更长的电池工作时间等等。这些基本诉求对电源管理和音视频解决方案产品在性能、效率以及集成度方面不断提出新的挑战。一个典型的例子是，绿色能源技术是目前智能手机和平板电脑在处理能力接近传统笔记本电脑而工作时间可长达10个小时的幕后功臣。

高效节能是未来产品发展的趋势，如何提高系统电源的效率是厂商们所关心的问题之一。功率器件工艺的改进是提高效率的关键。另外，从系统角度出发，符合系统应用及工作状态的控制方式极大地提高了系统效率。控制器件通过检测系统的工作状态，动态地调节输出电压来达到效率优化的目的。随着系统容量的不断扩充及空间的考量，电源的通道数有所增加，控制器件通过检测输出功率，调节输出通道的开通与关断来达到提升系统效率的目的。

随着3G技术的迅猛发展，金融、电信网络的新一代基站和数据中心的建设，也对电源动力系统提出了更高的要求。与此同时，3G技术通信网络大规模普及，集中度越来越高，数据量传输量越来越大，这就要求电源厂商必须加大对创新技术的投入，提高产品的高效节能性能，并通过推出高附加值的产品或解决方案来为用户节约投资成本，同时保障运行的稳定性和高效性，才能充分保障用户体验。

为了配合绿色能源概念，需要多种电源技术配合支持，比如低功耗CMOS技术，高智能电源管理系统，高效功率变换拓扑，提高轻载效率技术包括门极驱动电压优化、模拟二极管技术、相位增减、频率调制和驱动脉冲省略运行等，以及各种降低待机损耗技术特别是在睡眠模式，打嗝模式、极低静态电流等方面的突破。

针对绿色能源科技的响应，需要从多个领域调整产品研发战略，比如开发先进的ICI艺可实现最小能量损耗和静态电流，拥有完整的电源管理产品体系，可以为客户提供最优的系统解决方案，利用高轻载效率、低待机损耗技术的应用可将运行损耗降到最低，特别是其高效功率变换器拓扑瞄准80 Plus金牌标准。在功率变换器方面，Intersil的优势可以满足客户多方面的需求：完整的解决方案可满足多样化工业通用电源功率变换需求，高集成度和高性能ZVS(零电压转换)技术可满足高效高功率密度需求，领先的数字功率变换技术满足灵活高效的系统电源管理需求。被电源公司和系统公司高度接受，从芯片级到系统级解决方案提供强有力的工程支持。提升电源设计者的工作效率

绿色能源的要求不仅仅针对半导体厂商，对电源设计者而言更是一种全新压力，特别是面临着产品性能不断增强与高能效等级的双重压力下，出色的电源设计几乎成为一款成功电子产品必不可少的环节，这就对当下的电源设计者提出了日益苛刻的设计要求。与此同时，电源设计者却还得面对更多的设计挑战，比如电路板上为电源系统留下的空间越来越少，待机功耗要求越来越低，设计完成的时间越来越紧迫，热设计需求变得越来越复杂。

电源设计工程师需要在两个方面进行权衡：一方面是你想选用最合适的IC，另一方面你在了解其独特的电源要求和电源网络设计的影响后想获得所需的特点与功能。换句话说，要做工程师们经常做的折衷工作(这些工作有时一目了然，但一般都难以定夺)：权衡优缺点，对折衷方案作出评判，努力达到能满足市场要求的功率、价格和性能最佳点。

这些复杂的问题其实已经为广大半导体厂商所认知，因此众多电源半导体厂商纷纷基于自己的产品推出多年设计应用验证之后的解决方案，尽可能简化电源设计者在选型、配料等方面的工作流程，根据设计的实际需要选择不同的参考方案，尽量将电源工程师的工作集中在电源差异化设计方面，以提升其设计专注度，提高实际工作效率。比如，在第八届绿色电源和电源管理技术研讨会场，飞兆半导体推出了用于前沿小型太阳能与通信电源系统的高能效方案，以高能效功率解决方案提供专为实现最小尺寸、最高可靠性和最佳散热性能而设计的先进封装，提供针对功率和移动应用而优化的自有工艺技术等，帮助客户解决设计难题。而Exa r公司的四通道数字电源解决方案，针对现代系统需要电源同时具备的三种能力：功率转换满足系统的最基本需求：功率管理提升系统的灵活性：电源通讯提升了系统的智能性。同时还尽可能帮助设计者实现简单易用并且成本优势。

LED的热潮

倡导绿色能源不仅需要高效率的电源，还需要更多节能科技的应用，比如最近比较热门的LED技术。据统计，受照明和背光两大主要LED应用需求的驱动，全球LED市场规模将以超过25％的年均增长率在2013年达到3504L美元，中国市场增长更为迅速，年均增长保持在35％以上，2013年市场规模超过400亿元。

LED的普及离不开LED驱动技术的发展，可以说，促使LED普及的一个重要因素是便宜可靠的驱动解决方案，此外影响LED芯片的驱动力中，LED的光输出以及成本的下降是主导因素。每流明的成本，即用户为照明所付的费用正在迅速降低。散热也很重要，因此优化PCB(印制电路板)布局非常关键。而更重要的则是避免热耗散，与其在散热方面做出额外的努力，不如采用更有效的驱动器架构，如LED电源的智能调节。研发动向方面，在非常薄的LED电视和超薄手机中，LED的光输出越来越多，而封装则变得越来越纤薄。采用更好的色域使照明变得更加自然也是业内重要的发展动向。奥地利微电子高级应用工程师李圣均强调对于L ED驱动器制造商来说、需要更紧密地与整机制造商进行合作，从而开发出切合最新LED技术发展趋势的驱动器解决方案，最热门的3DTV LED背光就是与整机厂商共同开发的成功案例。

2007-2012年，商业、工业、住宅家用照明成为LED照明增长最为快速的市场，其中到2012年商业和工业领域LED照明将增长58％，住宅领域增长102％，市场前景非常诱人。不过，目前LED照明仍存在光效偏低、光衰大，散热方案解决不好、产品一致性差等缺陷。为了满足LED照明企业的市场需求，安森美半导体特别推出了针对LED照明应用的电源驱动解决方案，涵盖了交流一直流(Ac―Dc)LED方案、直流一直流(Dc.Dc)及手电筒LED方案、线性恒流调整器(CCR)LED方案等。安森美电源及便携产品全球销售及营销高级总监郑兆雄特别强调，新能源技术的发展及应用越来越受到瞩目，太阳能LED街道照明就是其中一例。安森美针对太阳能LED街道照明应用提供涵盖从太阳能板到LED照明的全套方案，其中就包括采用最大峰值功率追踪(MPPT)技术的NCPl 294太阳能充电控制器及NCL30131 LED升压驱动器等关键器件。

电源半导体技术发展

依照绿色能源概念的要求，目前的市场发展趋势显示，半导体产品必须具备高能源效率、易于使用及符合环保要求等优点，才可满足市场需求。其中，提高成本效益及缩短设计时间是所有客户面对的问题，因为他们拥有的资源比以前少，设计时间也更短，因此需要供应商提供更多支持以开发独特的电子系统，才能在指定时间内完成设计并进行生产，将新产品尽快推向市场。另外，当前环境是重要的考量因素，因此对符合环保要求，节能高效产品的需求与日俱增。安森美郑兆雄强调，电源半导体产品的主体发展趋势及市场需求就是提供能效，不仅注重提升工作模式下的效率，还改善功率因子，降低空载及轻载能耗，帮助节能降耗。特别是延长电池供电便携设备的电池使用时间。此外，提高产品集成度、减少元器件使用数量、减小PCB占用空间及高度以适应纤薄小巧设计、集成强固保护特性、采用先进封装等。

功率半导体发展趋势

飞兆半导体韩国功率转换部门副总裁赵东辉详细介绍了电源应用中的功率半导体主要技术发展趋势。人们的日常生活中，功率半导体器件应用广泛，从超便携通信产品直到航空宇航设备。最普遍的功率应用是转换、管理和分配。这些应用的基本子系统包括AC-DC、DC-DC7~[DC-AC，所有三种子系统的主要发展推动力量是采用性能更高的开关和控制电路。发展趋势是在系统加入更多的功率电子内容，以便提供各种功能如更便捷的显示f用于消费电子产品的LED显示)、通信(联网)，以及系统监控和保护。为了迎合系统发展趋势，功率半导体供应商正在推出具有高能效水平、高集成度的器件。

在功率分立器件方面，MOSFET正在从平面技术转向Super lunction(电荷平衡)技术，以期改善导通状态电阻率(Rds(on))并实现快速开关。至于IGBT技术，则应用沟槽技术来减小片上横向隔离结构的尺寸，有助于减小芯片面积，同时保挣l生能。据报道，功率分立器件供应商几乎达到了基底材料一硅材料的极限。因而，新材料半导体器件预计将会替代传统的硅半导体器件。宽带隙(WBG)半导体器件如SiC和GaN开关正在涌现，这些器件采用高成本效益的工艺技术来达到规模经济效益，从而保障大批量生产率。大规模推出WBG半导体的速度取决于市场的需求。市场对高效率、高密度和高温度应用器件的需求不断增长，推动功率半导体供应商以较预期更快的速度投入WBG半导体产品的竞争之中。

功率芯片，也称作功率管理芯片，用于多种消费产品和计算应用的各种功率转换和分配电路中，包括手机、汽车电子和工业等应用。近期，人们将功率管理芯片嵌入在超便携设备、手机和膝上型电脑的智能功率管理Ic中，这项集成是通过改进制造工艺和设计技术来实现的。功率管理芯片的另一项功能是照明管理。最近推出的高效率白光LED为消费产品、计算产品和手机提供了新型照明单元，可以实现从简单的功率管理到调光、智能驱动、接口和保护功能的多种功能，保护功能有OTP(过温度保护)、OVP(过电压保护)、OCP(过电流保护)、反向电池电流保护等。

过去，功率半导体是作为单独的功率分立器件来开发的，有MOSFET、IGBT、二极管和功率控制器。但