經(jīng)濟的迅速發(fā)展，技術(shù)的不斷進步，催生了各種智能家電以及娛樂視聽產(chǎn)品的繁榮。它們令人眼花繚亂的功能徹底改變了我們單一的生活方式。我們一方面在享受各種新鮮產(chǎn)品帶來的樂趣，一方面卻不得不面臨待機能耗使用量劇增而引發(fā)的能源浪費問題。今年9月，由中國電子學(xué)會、英特爾、聯(lián)想等13家電子信息產(chǎn)業(yè)機構(gòu)聯(lián)合向業(yè)界發(fā)出了“中國電子節(jié)能倡議書”，號召各電子信息企業(yè)大力研發(fā)、采用和推廣電子節(jié)能新技術(shù)、新產(chǎn)品，提供有針對性的節(jié)能技術(shù)解決方案。與此同時，各國政府、國際組織和行業(yè)團體也早就出臺了一系列節(jié)能標準規(guī)范，并且有的已經(jīng)開始強制實施。待機能耗的迅速增長和由此引發(fā)的問題引起世界各國越來越多的關(guān)注，“節(jié)能”已經(jīng)成為一項全球性議題。

各項規(guī)范標準助力“節(jié)能革命”

根據(jù)國際能源署(IEA)統(tǒng)計顯示，待機能耗使用量約占家庭用電量的3~11%。IDC近期對世界計算功率估計用量的研究結(jié)果也顯示，2005年美國服務(wù)器群的耗電量達到了美國當年總發(fā)電量的1.2%。這筆能耗的公用事業(yè)費為27億美元，僅此一項所消耗的電力相當于5家巨型發(fā)電廠晝夜不停的運轉(zhuǎn)幾年。單就美國而言，能耗下降1%就意味著每年可以節(jié)省2,700萬美元的巨額費用。

機電控制如果轉(zhuǎn)為直流變換可節(jié)省40%能耗。

在節(jié)能浪潮的推動下，各項規(guī)范標準紛紛出臺。2000年，國際能源署發(fā)起了“1W計劃”，目標是在2010前將所用電器的待機能耗降至1W以下。我國中標認證中心實施啟動了待機能耗“1W”認證計劃。而美國國家環(huán)保局和能源署向消費者推廣的高質(zhì)量和高效率的節(jié)能產(chǎn)品的認證項目——能源之星，僅在2006年就為美國消費者節(jié)省了140億美元的電費，節(jié)約了相當于1.5個三峽工程或50多個新發(fā)電站的發(fā)電量。此外，美國能源署還推出了“80PLUS”計劃、計算機產(chǎn)業(yè)氣候拯救行動(CSCI)，致力于提高電源工作效率。歐盟也推出了歐盟生態(tài)標簽(EU Eco-Label)、歐盟行為準則(EU Code of Conduct)等。國際電工委員會推出了IEC 1000-3-2 D標準，旨在改善電源諧波污染，提升功率因數(shù)。


創(chuàng)新技術(shù)打造節(jié)能方案


各項節(jié)能標準規(guī)范的推行，為電源系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求。電源芯片廠商需要考慮三方面因素，以達到節(jié)能環(huán)保要求：一、降低待機能耗；二、提高電源工作效率；三、改善功率因數(shù)，降低諧波污染。


電源空載及輕載都會有待機能耗問題。空載時，如電池充電器、AC-DC墻式適配器等仍會從交流電源吸收較小功率；而系統(tǒng)輕載時，依然有一些智能功能在工作，如電視機、空調(diào)、DVD等其微處理器需要等待遙控信號。因此，待機能耗是“節(jié)能”的首要任務(wù)。


電源管理領(lǐng)先供應(yīng)商安森美半導(dǎo)體一直將節(jié)能作為關(guān)注的重點。該公司發(fā)言人指出，要解決待機能耗問題，必須清楚損耗在哪里，這通常包括啟動電路、驅(qū)動電路、偏置電路、輸出整流器、磁性元件等。例如過去在待機工作模式下，傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器都不考慮待機的具體要求，因此安森美推出了軟跳周期技術(shù)，其NCP1337增強型PWM電流模式控制器采用這種技術(shù)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，以實現(xiàn)空載、輕載狀態(tài)下的高能效，并且該技術(shù)還可以在變壓器進入跳周期工作時有效消除噪聲，滿足節(jié)能、待機與工作狀態(tài)等各種要求。NCP1337利用反饋引腳工作監(jiān)控芯片狀態(tài)，只要功率要求低于預(yù)先設(shè)置的水平，即進入跳周期節(jié)電模式。據(jù)介紹，安森美推出的第五款GreenPoint電源參考設(shè)計就是基于NCP1337芯片開發(fā)，GreenPoint不僅滿足而且還超越了部分節(jié)能規(guī)范的要求。該公司表示，300瓦GreenPoint ATX電源參考設(shè)計在高電壓輸入時可以達到86.5%的滿載能效，在20%的輕載時能實現(xiàn)82.5%的能效，不僅高于市場上常見ATX電源70%的能效，更高于美國能源署“80PLUS”計劃要求，并且非常接近計算產(chǎn)業(yè)氣候拯救行動(CSCI)組織提出的到2011年實現(xiàn)滿載下87%能效的要求。GreenPoint可應(yīng)用于電源適配器、ATX電源、CRT電視電源和LCD電視電源等。


除此之外，安森美還有一系列技術(shù)滿足電源產(chǎn)品節(jié)能的要求，有的采用更好的拓撲結(jié)構(gòu)，如準諧振谷底開關(guān)、在2段式轉(zhuǎn)換器中關(guān)斷PFC段降低待機能耗；有的采用更好的元器件(場效應(yīng)管和二極管等)，如頻率反走、同步整流、軟開關(guān)(準諧振、全諧振)、有源鉗位等提高電源工作效率；有的在主電源轉(zhuǎn)換器中整合PFC，以及在指定應(yīng)用和功率等級優(yōu)化PFC控制模式，如非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)、臨界導(dǎo)電模式(CRM)和連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)等，改善功率因數(shù)。


同樣高舉“綠色節(jié)能”大旗的另一業(yè)界巨頭飛兆半導(dǎo)體也推出了一系列功率優(yōu)化方案。飛兆半導(dǎo)體公司技術(shù)及應(yīng)用支持中心亞太區(qū)副總裁王瑞興表示，飛兆現(xiàn)在可以提供以下幾類高能效的產(chǎn)品：智能功率模塊SPM，功率開關(guān)FPS，高性能負載開關(guān)IntelliMAX，實現(xiàn)效率較大化的功率因數(shù)校正(PFC)器件，新一代高壓MOSFET器件SuperFET，以及寬泛圍的集成式電機驅(qū)動解決方案。王瑞興指出，飛兆半導(dǎo)體在提供解決方案方面的業(yè)務(wù)焦點是向著節(jié)能趨勢發(fā)展，一如既往地根據(jù)法規(guī)或客戶的要求，不斷推出創(chuàng)新的電源解決方案及架構(gòu)，從三個方面進一步提高能效及節(jié)省能源——提高功率因數(shù)(PFC產(chǎn)品)、效率較大化(SPM與FPS產(chǎn)品)、降低待機功率(綠色FPS產(chǎn)品)。

一直在電源管理產(chǎn)品領(lǐng)域深耕細作的凌力爾特公司則致力于生產(chǎn)兼具高轉(zhuǎn)換效率和低靜態(tài)電流的電源管理IC。凌力爾特在許多電源管理IC中都采用了其專利突發(fā)模式(Burst Mode)技術(shù)，該技術(shù)較大限度地減小了電源管理IC本身在待機模式期間所需的電流。在多數(shù)場合中，采用該技術(shù)的產(chǎn)品待機靜態(tài)電流可低至16μA。凌力爾特電源產(chǎn)品事業(yè)部產(chǎn)品市場經(jīng)理Tony Armstrong表示，節(jié)能型DC/DC轉(zhuǎn)換器中使用的電源管理IC必須具備兩個重要特性。首先，必須擁有非常高的轉(zhuǎn)換效率。其次，無論是在待機模式還是在停機模式中，都必須具有低靜態(tài)電流。電源管理IC的效率越高，其在轉(zhuǎn)換過程中的功耗就越低。

美國國家半導(dǎo)體則推出了Powerwise技術(shù)，為受能源所限制的數(shù)字設(shè)備如手機、PDA、手持游戲機、個人導(dǎo)航儀和其他設(shè)備提供了先進的能源管理解決方案。PowerWise采用自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)和閾值電壓調(diào)節(jié)等技術(shù)，將數(shù)字邏輯集成電路的工作和泄漏功耗自動降至較低，同時保持小的系統(tǒng)開銷。PowerWise以IP綜合套件形式提供給客戶，具有易于使用的標準硬件接口，該技術(shù)可應(yīng)用于所有CMOS工藝，并且可與任何操作系統(tǒng)或應(yīng)用集成，同時還可將數(shù)字處理器的能耗降低70%，大大提高了能源效率。

黃漢基：功率放大器開關(guān)單元可延長電池使用壽命，并解決手機散熱問題。

國家半導(dǎo)體亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品市場總監(jiān)黃漢基指出，該公司一系列高能源轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)品都采用了Powerwise技術(shù)，包括電源管理系統(tǒng)、運算放大器、接口芯片及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等產(chǎn)品。他還表示，國家半導(dǎo)體另一項節(jié)能技術(shù)是“功率放大器開關(guān)單元(SuPA)”，可以延長電池使用壽命，并且解決CDMA/WCDMA手機的散熱問題。采用SuPA技術(shù)的產(chǎn)品可以降低能耗達80%以上。此外，美國國家半導(dǎo)體還推出了新型的封裝形式“micro SMDxt”，可以節(jié)省高達70%的電路板空間。黃漢基表示，micro SMDxt封裝是原有的micro SMD封裝的技術(shù)延伸，該技術(shù)將使美國國家半導(dǎo)體在功率集成上處于領(lǐng)先。

另一家電源管理供應(yīng)商IR推出了其高效的“iMOTION”集成設(shè)計平臺，該平臺是一種優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)，將IR特有的高壓集成電路與數(shù)字、模擬和功率構(gòu)造模塊以及用于家電的無傳感電機控制數(shù)字控制算法融為一體。該平臺可使系統(tǒng)效率達到95%以上。

就在國際大廠紛紛在節(jié)能領(lǐng)域施展拳腳的同時，本土廠商也絲毫沒有懈怠。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，本土廠商的產(chǎn)品逐漸為更多的客戶接受，他們已經(jīng)開始在一些領(lǐng)域可以與國際大廠抗衡。作為一家成立不到3年的電源廠商，昂寶電子在成立之初就一直潛心致力于高性能電源控制IC的研發(fā)，經(jīng)過兩年努力，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“綠色引擎”(GreenEngine)技術(shù)平臺。昂寶電子市場及銷售副總裁黎波表示，基于“綠色引擎”平臺的電源管理芯片以綠色環(huán)保、高效節(jié)能為特長，并且范圍覆蓋各種AC-DC電源轉(zhuǎn)換、充電器、CCFL顯示屏背光電源系統(tǒng)，以及功率因數(shù)校正器等各個方面。昂寶新近推出的高性能準諧振PWM控制器OB2202/3，可提供超過88%的轉(zhuǎn)換效率和實現(xiàn)低于0.3W的待機功耗。與傳統(tǒng)的定頻PWM系統(tǒng)相比，準諧振(QR)技術(shù)在降低EMI噪聲、提高系統(tǒng)效率和減小開關(guān)損耗等方面具有明顯優(yōu)勢，因而越來越受到用戶的關(guān)注。此外，昂寶還推出了一系列基于“綠色引擎”技術(shù)的產(chǎn)品，可滿足各項節(jié)能標準，并達到小于0.3W的待機節(jié)能要求。

黎波表示，除了“綠色引擎”平臺滿足節(jié)能環(huán)保要求外，昂寶電子的所有產(chǎn)品材料均符合RoHS指令要求，另外，在電磁環(huán)境綠色環(huán)保方面，昂寶電子采用先進的“頻率抖動技術(shù)”降低了系統(tǒng)EMI干擾，可以為客戶降低系統(tǒng)成本、縮短設(shè)計周期。

節(jié)能，從應(yīng)用入手

市場的不斷增容，使得全球?qū)﹄娮釉�器件的需求大幅增長，節(jié)能勢在必行。照明、IT產(chǎn)品和電機控制是三大高能耗領(lǐng)域。王瑞興表示，僅照明領(lǐng)域一項的能耗就占電能消耗總量的19%。而在過去的十年，大型路由器的功率要求增加了10倍。臺式電腦、圖形處理器(GPU)和更大容量的存儲器都要求更高的功率和更多的數(shù)據(jù)中心或互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器群，其功耗相當于一個小型城鎮(zhèn)的耗電量。2005年，需要14個1,000兆瓦的電廠的發(fā)電量才能維持全球在線數(shù)據(jù)中心的正常運轉(zhuǎn)。對于電機控制能耗來說，如果現(xiàn)有解決方案轉(zhuǎn)換到變速DC電機大約可節(jié)約40%的能源。如果10萬戶家庭改用ECC認證空調(diào)，每年可省電超過10GWh，足夠中國6,100戶家庭使用。他強調(diào)，從白熾燈泡轉(zhuǎn)型為熒光燈或LED燈可以節(jié)能75%，從單相AC電機轉(zhuǎn)型為變速電機可以節(jié)能40%，改感應(yīng)電機為永磁電機則可提高5%的效率，而降低家電的待機功耗相當于節(jié)能5~10%。

在同樣的照明效果下，LED照明解決方案的能耗僅為一般白熾燈光源信號燈的10~20%，并且其使用壽命也比普通燈泡延長了100倍，光線質(zhì)量高且穩(wěn)定。目前以熒光燈、發(fā)光二極管或高密度放電(HID)燈取代白熾燈的工作正在積極展開，在許多場合，如景觀照明、信號燈等都采用了LED照明方式。LED照明已經(jīng)逐漸成為一項全球趨勢。

隨著超便攜式應(yīng)用的迅速發(fā)展，對AC-DC適配器或供電插座的需求開始增加。中國信息產(chǎn)業(yè)部2006年12月頒布并于2007年6月強制實施的“YD/T 1591-2006移動通信手持機充電器及接口技術(shù)要求和測試方法”標準，對AC適配器實行標準化，可以避免便攜式可充電系統(tǒng)不得不配備自己的專用適配器的麻煩，并且大量減少了電力的浪費。此外，液晶電視市場以超出業(yè)界預(yù)期的速度發(fā)展，也為電源IC帶來極大的市場應(yīng)用前景。

Maxim便攜式通信電源產(chǎn)品業(yè)務(wù)總監(jiān)Tony Lai指出，手機用戶需要越來越多的功能，由此引發(fā)了需要高效率的應(yīng)用——LCD背光。LCD背光解決方案要求體積越來越小，越來越薄，并且需要更高的效率。這些導(dǎo)致了多樣的電荷泵拓撲結(jié)構(gòu)。負電荷泵的效率要高出傳統(tǒng)正向電荷泵10~12%。Maxim推出的MAX8647/8負電荷泵，為LCD顯示器背光供電時具有較高的效率。MAX8647可用于所有的顯示器背光以及通用照明管理。I2C接口可以對各個LED進行控制，實現(xiàn)靈活的多區(qū)照明管理。

電源管理IC發(fā)展趨勢

電源芯片在幫助電源子系統(tǒng)或電子整機產(chǎn)品不斷提高工作能效、降低待機能耗和改善功率因數(shù)的同時，也在朝著集成度更高、保護功能更強大的封裝更小巧等方向發(fā)展。王瑞興表示，DC/DC轉(zhuǎn)換器的增長超過了線性調(diào)節(jié)器，并將朝著取代線性調(diào)節(jié)器的方向發(fā)展。因為在超便攜式應(yīng)用中，效率變得越來越重要。預(yù)計未來數(shù)年后3G電話的電池壽命會延長一倍，如果沒有這種高效的DC-DC轉(zhuǎn)換器，電池尺寸可能會變的很大。而功率管理市場的另一個發(fā)展趨勢是在板級、機架級和工廠級對功率系統(tǒng)內(nèi)部通信的要求。這種要求為數(shù)字功率管理和監(jiān)控以及數(shù)字環(huán)路控制提供了機會。數(shù)字環(huán)路控制能夠提供模擬領(lǐng)域很難或無法實現(xiàn)的優(yōu)點(如動態(tài)自調(diào)補償)。相比同等的模擬解決方案，數(shù)字實現(xiàn)方案可以減少達50%的系統(tǒng)組件數(shù)目，這意味著更高的可靠性和更低的材料清單成本。

Armstrong則表示，在高功耗應(yīng)用中，空間和散熱受到越來越多的重視。他指出，對于任何負載點DC/DC轉(zhuǎn)換器而言，緊湊、高效率和低靜態(tài)電流都是極其重要的，目的在于滿足新興的“綠色”標準。此外，許多微處理器和DSP都需要一個內(nèi)核電源和一個輸入/輸出(I/O)電源，在啟動期間必須對這些電源進行排序。設(shè)計人員不得不考慮內(nèi)核和I/O電壓電源在上電和斷電操作期間的相對電壓和定時，以與制造商的規(guī)格相符。如果沒有進行正確的電源排序，則有可能發(fā)生閉鎖或吸收電流過大的現(xiàn)象，從而會導(dǎo)致微處理器的I/O端口或某個支持器件(如存儲器、可編程邏輯器件PLD、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器)的I/O端口受損。同時，由于高性能、高功率電源設(shè)計對功率的需求不斷攀升，可用電路板空間同時也在日趨縮小。不僅如此，對電源設(shè)計人員(不管是否富有經(jīng)驗的老手)來說，功率密度也使他們面臨著新的重大挑戰(zhàn)。通常，這些設(shè)計均需要擁有90% 以上的轉(zhuǎn)換效率，以限制功耗量和電源的溫升。熱性能就變得尤其重要，原因是可用于耗散因DC-DC功率轉(zhuǎn)換損耗所產(chǎn)生的熱量的空間非常小，而且空氣流量有限。另外，這些電源還必須具有超群的輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)性能，同時限制所需的外部電容數(shù)量，以縮減電源方案的總尺寸。

上海貝嶺股份有限公司市場與技術(shù)支持部經(jīng)理顏重光對電源產(chǎn)品的發(fā)展趨勢做給出了一個綜合性評價。他表示，2007年便攜式產(chǎn)品市場對電源芯片的要求是集成更多的功能、小封裝、低功耗、低噪音、高共模抑止比、低成本、解決散熱瓶頸，電源芯片的一個發(fā)展方向是集成LDO+Buck+Charge Pump+I2C+SPI等多功能，并向SoC和PMU方向發(fā)展。未來，電源芯片集成的功能越來越多、性能越來越好、封裝越來越小、價格越來越便宜、功耗和待機電流越來越小、使用材料越來越環(huán)保。