作者：Qspeed Semiconductor技術營銷經理John Jovalusky

21世紀，現代便利生活都是以電子為基礎的，自從電子設備中晶體管開始取代真空電子管以來，七個市場趨勢就開始涌現，至今，它們仍然一直是支配電子行業的規律。本文將縱觀這七個市場趨勢，探討性能更好的功率半導體是怎樣直接使這些趨勢得以持續進步的。效率越來越高的電源轉換器和電源控制芯片正被設計出來，根本上是為了抵消世界范圍內呈指數增長的能源需求，并且保證本地區乃至世界經濟的可持續增長，而這又是建立在電子設備的制造和應用基礎上的。今天我們控制的這個世界，明天我們的后代將會繼承它。我們移交給后代時這個世界是什么樣將取決于我們今天的選擇和執行效果，特別是在以加速度增長的能耗領域。

前兩個市場趨勢

20世紀50年代，晶體管被大量生產并用于商業領域。它們慢慢地取代之前的低效率高能耗而且體積還很龐大的真空電子管，因為真空電子管需要高電壓和高溫陰極才能工作，而晶體管不需要，所以，采用晶體管的電子產品將會比采用真空電子管的電子產品更小更輕。新的晶體管的出現首先使得收音機領域的革新成為可能。接著，七個新市場趨勢之中的前兩個就從半導體商業化中體現出來：更小和更輕。早期的晶體管和二極管是用鍺制造的，所以總是有品質和可靠性問題。這導致下一個市場趨勢沒有成為一個驅動力量——直到半導體工業選擇硅為原材料，并且用硅生產的新器件稍微成熟一點。只有在那個時候，電子產品小型化輕便化的優勢才得以體現，這樣下一個市場趨勢才得以從地平線上升起。

圖1. 真空電子管（左）與照晶體管（右）。

接下來的三個市場趨勢

像白熾燈一樣，真空電子管的燈絲會斷，而采用硅制造的半導體可靠性好的多。這時晶體管的可靠性優勢才顯示出來。然而，直到航空航天工業采用晶體管后，高可靠性才在這場電子工業革命中成為第三個市場趨勢。電子線路必須更小更輕才能滿主航空航天應用的需求，這是因為有更多的器件被放進極小的空間，并輸入更大的功率，用以實現更多的功能。這也催生了七大市場趨勢中的第四第五個：高功率密度 和 高集成度（更復雜，外觀更豐富，功能更多）。

較后兩個市場趨勢

1971年Intel開發出第一個微處理器。直到1975年它才被商業化。同年第一臺個人PC機誕生。一開始，主要是工程師購買使用這種新興PC，這是因為它較難編程和操作。但是，隨著這種新機器巨大的潛能開始被意識到，較后兩個市場趨勢便涌現出來：易用和低價。隨著集成電路（IC）制造技術和工藝的提升和日臻完善，以及微處理器產量增加，它們的生產成本降低了。隨著PC機的加速普及，半導體設計者非常強烈地要使他們的IC容易設計進電腦以便能夠在快速增長的PC領域增加銷售量。為了使沒有技術背景的人們更容易使用電腦，新的軟件工業也在“易用”這個市場趨勢中被催生。因為人們喜歡功能豐富的，體積小的，重量輕的，可靠性好的，容易使用的電子產品，所以無一例外的，任何包含電子線路的新產品都比它的上一代更小更輕，更可靠，功率密度更大，集成度更高，功能更豐富，價格更便宜。這七個市場趨勢在今天依然存在，而且近期不會有止境。

圖2. 古老的晶體管收音機（1950）對照現代手機（2007）。

效率和能耗

七個趨勢之三（體積、重量和功率密度）之所以能夠演進，是靠電子線路工作效率的提高。工程師們通過計算，改良老版本或者設計新線路，達到同樣功能的前提下減小損耗。當電子線路實現指定工作任務的同時，它們較終以熱的形式消耗掉能量。

如果一套電子線路的總體積縮小，散熱能力就會變弱，溫度就會升高，為了保證線路不至于因為溫度過高損壞，那么減小它的能耗就是必要的，在不能減少線路功能的前提下，減少損耗只有一個辦法： 提高效率。關于這個問題我們可以舉一個例子，如果有一個手持式電子設備，我們拿著不覺得燙�，F在要將它的體積做小，效率不變時，溫度就會升高。因為我們知道，手持式設備散熱能力與它的表面積成正比，體積減小，表面積減小，散熱能力就會變弱，溫度必然升高。我們就會覺得燙了。這時我們只能提高效率。（即使不考慮電子線路的體積和能耗，發熱越多的設備，其散熱系統（包括結構件），就會越復雜越昂貴。比如，高功率密度CPU的散熱就已經在計算機安裝操作和成本中占有很重要的比重。一臺計算機只有不到40%的能量真正用于數據處理，有近60%的電能要么損耗在電源轉換器等部件上，要么損耗在帶走這些熱量的風扇上。所以，計算中心或者服務器除了初次購買的費用外，漲價的電費也使得運行費用越來越可觀。

一位電源系統技術專家Shaun Harris說，一個10kw的數據中心或者服務器設備運行一個月（30天，每天24小時），耗資1.5萬人民幣。

美國能源署發言人Andrew Fanara再三告誡其聽眾說：打賭能源價格近期下降必輸無疑。

DELL電腦公司的工作能耗是如此的可觀以至于他們開始致力于減小辦公能耗。2007年他們在美國的辦公室和實驗室每平方英尺減小5%用電量。這項措施作為持續節能的措施之一，是從2006財年度開始執行的。

同年十月，為了錯峰用電，google公司開始在每一所公立大學安裝較大的太陽能電池板（1.6兆瓦）。

功率轉換器

功率轉換器和電源管理芯片的效率被提升到有史以來的較高點，典型的是在75%-80%范圍。然而，還是有20%-25%的輸入電能在進入負載電子設備之前就被以熱的形式耗散掉了。在1000w的電源中，250到300w的能量沒做任何工作就變成熱損耗掉了。臺達電力電子實驗室研發部副總Milan Jovanovic博士說，近期功率密度和效率的戲劇性增長導致更好器件的需求和對較佳設計的進一步的理解。然而，還有很多工作要做，為了將電源轉換器效率從80%提高到85%甚至90%，還需要充分發揮新型的更好的半導體器件的性能以及優化變換線路來較大限度地利用這些器件的長處。

圖3. 因為鍺的可靠性有問題，促使后來半導體工業選擇了硅。

這方面的一個很好的例子是CCM升壓轉換器（以PFC為典型）。將普通的超快恢復二極管換成碳化硅肖特基二極管后，可以將轉換器效率提高2%-3%。更高的效率來源于反向恢復損耗的減小。這是肖特基的特性，它的反相恢復很快（見圖Y的綠色波形）。不幸的是，即使用量再大，比如100k每月，SIC二極管的價格也是普通超快恢復二極管的十倍�？上驳氖�，性能佳價格卻便宜的多的硅二極管比如QSPEED公司的Q系列二極管較近已經出現（見圖Y的綠色波形）。Q系列二極管因其非常低的反相恢復電流（Irr）而在效率上與SIC二極管相似，在特定工作條件下，Q系列的效率甚至比SIC還要好，但是價格卻僅僅只有SIC的40%-75%。

圖4. 連續模式（CCM）升壓二極管的反向恢復電流（IRR）波形。紅色為普通超快恢復二極管，藍色為SIC二極管，綠色為QSPEED Q系列二極管。采用Irr低的二極管能使CCM升壓變換器效率顯著提升。

由于使用傳統的可靠的硅作為原材料，Q系列硅二極管沒有像新材料SIC那樣的可靠性問題，但性能卻和SIC二極管一樣，能使CCM升壓轉換器的頻率和效率可以提高，體積可以減小。較后核算總成本時，經常會有這樣的結果：使用更好的功率半導體元件能使得物料總成本降低。因此，電源工程師們應該重新審查升壓線路，看看是否能夠通過更換近期出現的更好的功率半導體器件來提高效率降低成本。

結論

我們已經了解了刻畫電子時代的七個市場趨勢，也看到了一些大的行業領袖正在采取措施更有效率的利用能源降低能耗，我們看到了性能更好的功率半導體通過在每一代新的電子產品中減小體積重量提高功率密度 ，使得七個趨勢的至少三個得以持續進步。我們也清楚地知道為了抵消全球日益增長地能源需求，設計更高效率的電源轉換器和電源管理芯片是必要的。從一個通過采用性能更好的新半導體器件提高轉換器效率的例子中，我們可以感受到這些市場趨勢的推動力。

圖5. Google公司總部所在地加利福利亞（從山頂拍攝），建筑頂部安裝了新的1.6MW太陽能電池板。