提升能效,讓整個世界微笑

　　DC/DC 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率可以按照輸出功率除以輸入功率計算，或者換一種方式，按照負(fù)載功率除以輸入功率計算。在電源轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生熱量所導(dǎo)致的結(jié)果是，系統(tǒng)設(shè)計師必須仔細(xì)考慮應(yīng)該使用什么類型的穩(wěn)壓器。因此，在很多制造商中出現(xiàn)的一種常見的趨勢是，采用開關(guān)穩(wěn)壓器而不是更簡單的線性低壓差穩(wěn)壓器，因為開關(guān)穩(wěn)壓器可以更高的效率工作。

　　在幾乎任何類型的電池供電便攜式設(shè)備中都需要多個電壓軌，這種情況非常常見。這些軌包括多個微處理器軌和大量特別功能電壓軌。因此，對提供必要功率的電池需求已經(jīng)極大地增加了。不過，電池的外形尺寸一直保持相對較小，而且功率密度僅實現(xiàn)了適度增加。結(jié)果，在幾乎任何手持便攜式設(shè)備中，電池運行時間和良好的熱量管理都成為了非常重要的賣點。這導(dǎo)致需要非常緊湊和高效率的多輸出同步降壓型轉(zhuǎn)換器。

　　同步降壓型轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器相比，已經(jīng)在電池運行時間上有了極大改進(jìn)。此外，這類轉(zhuǎn)換器提供 96% 左右的效率，幾乎無需任何散熱器。因此，就電源轉(zhuǎn)換 IC 而言，Tony Armstrong看到的一個日益增強的趨勢是，提供多輸出器件，例如 6 到 8 個通道，而且所有通道都是同步降壓型轉(zhuǎn)換器，以在很寬的電流范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，同時以高于 2MHz 的開關(guān)頻率工作，以保持盡可能小的外部組件尺寸和解決方案占板面積。

　　便攜設(shè)備集成的功能越來越多，功耗也越來越高，而電池容量及技術(shù)的進(jìn)展仍然緩慢。鄭兆雄強調(diào)，便攜設(shè)備設(shè)計人員必須適應(yīng)這種結(jié)合許多功能的高集成度趨勢，提供足夠長的電池使用時間，同時配合消費者對纖薄外形的需求。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，可行策略是在選擇集成多種功能的主芯片組，同時選用高集成度的電源管理集成電路(PMIC)，幫助簡化設(shè)計，使控制電源所需的資源減至最少，并將外形因子保持在可控范圍之內(nèi)。雖然高集成度PMIC的應(yīng)用日益增多，但隨著便攜產(chǎn)品功能不斷增多，集成度相對較低的電源轉(zhuǎn)換IC的需求也增加了，以此配合增加新功能。

　　新的競爭需求

　　電源半導(dǎo)體是個技術(shù)發(fā)展相對平穩(wěn)的行業(yè)，新技術(shù)的出現(xiàn)并不多，但是在更高能效需求驅(qū)動下，如何幫助客戶應(yīng)用新技術(shù)更快更高效進(jìn)行電源設(shè)計，就成為電源半導(dǎo)體廠商競爭的焦點。

　　綠色、環(huán)保、節(jié)能一直是這幾年電源動力系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新的重點。隨著綠色技術(shù)在各行業(yè)的不斷滲透，新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也在推動產(chǎn)品升級。照明、電信、智能電網(wǎng)、智能家電等領(lǐng)域同樣具有巨大的增長空間，也是電源廠商重點關(guān)注的方向。節(jié)能主要體現(xiàn)在電源產(chǎn)品本身的節(jié)能和整體機房節(jié)能，而“綠色”主要體現(xiàn)在提高整機效率、減少對電網(wǎng)的干擾以及節(jié)省空間、節(jié)約成本等方面。另外，模塊化電源、網(wǎng)絡(luò)化電源等也是目前的關(guān)注焦點。模塊化電源，除了能提高電源供應(yīng)的可靠性，企業(yè)自身還可根據(jù)用電負(fù)載選配模塊。因此，廠商們?nèi)绻胍诩ち业氖袌龈偁幹斜３稚踔撂岣呤袌稣加新剩掷m(xù)技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)新是重中之重。

　　面對這個問題，鄭兆雄認(rèn)為，電源設(shè)計相關(guān)的新技術(shù)包括兩方面，一方面，可以采用創(chuàng)新的電源架構(gòu)來優(yōu)化電源在完整負(fù)載范圍內(nèi)的能效;另一方面，可以細(xì)致分析電源各個可能的功率損耗來源，采取針對性的措施來減小功率損耗，進(jìn)而提升能效，并配合減小尺寸及提升功率密度。例如，當(dāng)今的電源設(shè)計人員不僅要提供更高的滿載及典型負(fù)載工作能效，也要優(yōu)化電源在輕載條件下的能效，從而在完整負(fù)載范圍內(nèi)均能提供優(yōu)異的高能效性能。

　　王劍介紹，飛兆半導(dǎo)體的業(yè)務(wù)重點仍然是能效及移動連接性的主要應(yīng)用和市場。一直是追求功率密度領(lǐng)導(dǎo)地位，Dual Cool新型功率專用封裝技術(shù)，以滿足電子產(chǎn)品設(shè)計對更高效熱管理的不斷攀升的嚴(yán)苛要求。該技術(shù)通過在封裝頂部增加一個散熱塊，在垂直MOSFET裸片結(jié)構(gòu)的漏極和源極形成一條直接散熱路徑。利用這種結(jié)構(gòu)，除了到印制電路板的直接傳導(dǎo)路徑之外，還能利用一個散熱系統(tǒng)在封裝頂部實現(xiàn)額外的冷卻。

　　最近，為了提升效率和控制性能，許多馬達(dá)控制應(yīng)用已經(jīng)采用了逆變器解決方案。即便在家用電器領(lǐng)域，BLDC逆變器解決方案正在普及。不過，關(guān)鍵問題是如何提高這些解決方案的成本效益和可靠性，許多功率器件供應(yīng)商針對這一市場推出分立器件或模塊解決方案。制造商喜好使用模塊解決方案，因為相比分立解決方案，模塊解決方案具有數(shù)項優(yōu)勢。首先，模塊方案有助于提高系統(tǒng)的可靠性和效率。許多成套設(shè)備開發(fā)人員在設(shè)計功率部件和柵極驅(qū)動電路時遇到了困難，因其布局周邊是非常敏感的。而模塊解決方案在設(shè)計中考慮了這些因素，以期減小雜散電阻/電感并優(yōu)化開關(guān)特性，這可以通過優(yōu)化硅晶片安排及縮短引線粘接長度來實現(xiàn)。

　　近年來，由于越來越需要高能效應(yīng)用，所以電源管理迅速提到設(shè)計日程上來，成了工程師需要解決的首要問題。由于希望系統(tǒng)能夠提供更多功能，所以多種終端設(shè)備的功率電平和電源密度要求在不斷提高。這就要求電源管理解決方案能夠以更小的解決方案尺寸提供更高的電和熱效率，同時還要滿足嚴(yán)格的法規(guī)要求和終端用戶對更高能效的需求。潘大偉介紹，IR采取的戰(zhàn)略包括構(gòu)建更高效的功率半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)品與新封裝解決方案，讓用戶無需提高成本即可提高應(yīng)用效率。我們還提供用戶輕松、快速評估和實現(xiàn)這些新電源管理技術(shù)所需的工具和工程支持。隨著設(shè)計者和技術(shù)人員逐漸接近芯片的物理極限，進(jìn)一步提升性能就變得越來越復(fù)雜，并且需要付出高昂的代價方可實現(xiàn)。某些情況下，為了提高系統(tǒng)的電源密度和減少能源浪費，同時縮小系統(tǒng)尺寸，降低復(fù)雜度和削減成本，需要新技術(shù)來構(gòu)建元件，而其它情況下，則需要新材料。除了努力提高現(xiàn)有硅基電源器件的效率和集成度，IR還將重點開發(fā)GaN基解決方案。

　　目前在電源管理領(lǐng)域有很多熱點技術(shù)，而新技術(shù)的一個典型例子是來自可替代能源領(lǐng)域。顯然，任何專注于應(yīng)對這一領(lǐng)域的電源管理產(chǎn)品都將有極大的增長潛力。

　　對環(huán)境能源進(jìn)行非常少量的收集和管理，可以借用該能源能用來執(zhí)行各種功能，以達(dá)到部分節(jié)能與提高能效的目的，例如監(jiān)視大樓中的 HVAC 系統(tǒng)，從而使能源利用效率更高。在我們周圍存在著許許多多的環(huán)境能量，能量收集的傳統(tǒng)方法一直是借助太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機。不過，新的收集手段允許我們利用各種各樣的環(huán)境能量源來產(chǎn)生電能。此外，重要之處并非電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而是更多地在于可為其供電的“平均收集”能量值。例如：熱電發(fā)生器可將熱量轉(zhuǎn)換為電力、壓電元件可轉(zhuǎn)換機械振動、光伏元件用于轉(zhuǎn)換陽光 (或任何光子源)、而流電元件則可從濕氣實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。這使得能夠給遠(yuǎn)程傳感器供電或?qū)﹄娔艽鎯ζ骷?(例如：電容器或薄膜電池) 進(jìn)行充電，從而可為微處理器或發(fā)送器實施遠(yuǎn)程供電，而無需使用本地電源。Tony Armstrong認(rèn)為，這反過來又為將凌力爾特的能量收集產(chǎn)品用作潛在的解決方案帶來了機會。

　　可替代能源帶來了很多機會，其中一個非常典型的例子是太陽能供電的電子設(shè)備市場。隨著各公司不斷尋求降低能耗的方式，該市場也在持續(xù)增長。例如智能電表，這類電表用在智能電網(wǎng)上，希望由環(huán)境能源供電，以降低工作所需的能源成本。一個可行和充足的能源是太陽能。不過，因為太陽能是易變和不可靠的，幾乎所有太陽能供電的設(shè)備都具備可再充電電池。因此，一個重要的目標(biāo)是，抽取盡可能多的太陽能以給這些電池快速充電，并保持它們的充電狀態(tài)，以在沒有太陽可用時將電池用作能源。

　　數(shù)字模擬的博弈

　　模擬電源和數(shù)字電源經(jīng)過幾年的博弈，目前進(jìn)入相對平衡的一個階段，比較而言數(shù)字電源和模擬電源各有優(yōu)勢。如數(shù)字電源更靈活，但在響應(yīng)速度、成本及占位面積方面，相比模擬電源仍有不少差距?？偟膩砜矗M電源仍占據(jù)主導(dǎo)地位，特別是在不需要額外數(shù)字控制功能的應(yīng)用中，模擬電源及電源管理芯片毫無疑問是首選。安森美的鄭兆雄直言，領(lǐng)先的高性能、高能效電源方案供應(yīng)商在模擬電源領(lǐng)域也不斷創(chuàng)新，包括以創(chuàng)新的電源架構(gòu)來配合提升電源能效，應(yīng)對更加嚴(yán)格的能效要求，使模擬電源在未來仍有極廣闊的發(fā)展空間。MAXIM的Jon Day則表示，目前對于數(shù)字和模擬控制方案的對比大多集中在性能方面，但應(yīng)該看到模擬方案在成本上仍然有一定的優(yōu)勢。不過隨著數(shù)字電路轉(zhuǎn)向更小的尺寸，這種情況將會發(fā)生逆轉(zhuǎn)。數(shù)字方案的主要優(yōu)勢在于遠(yuǎn)端控制的靈活性以及簡潔的控制架構(gòu)——無論在用戶級還是系統(tǒng)管理級。

　　當(dāng)然，作為新技術(shù)出現(xiàn)的數(shù)字電源，必然有其自身的優(yōu)勢才具有了挑戰(zhàn)模擬電源的可能。以數(shù)據(jù)中心為例，如果數(shù)字電源設(shè)計正確，就可以降低數(shù)據(jù)中心能耗、加快產(chǎn)品上市、具備卓越的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)、并在諸如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中提高系統(tǒng)總體可靠性。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計師需要提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和性能，并增加功能。同時，還有一種壓力，就是降低系統(tǒng)總體功耗。數(shù)據(jù)中心面臨的挑戰(zhàn)是，通過重新安排工作流程，并將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未得到充分利用的服務(wù)器上以使其他服務(wù)器能停機，來降低總體功耗。為了滿足這些要求，有必要知道最終用戶設(shè)備的功耗。恰當(dāng)設(shè)計的數(shù)字電源管理系統(tǒng)可向用戶提供功耗數(shù)據(jù)，允許做出智能能源管理決策。

　　Tony Armstrong的觀點中，數(shù)字電源系統(tǒng)管理的一個主要好處是，設(shè)計成本降低，且產(chǎn)品能更快上市。采用一種具直觀圖形用戶界面 (GUI) 的綜合開發(fā)環(huán)境可高效地開發(fā)復(fù)雜的多電源軌系統(tǒng)。另外，此類系統(tǒng)還可通過該 GUI 實現(xiàn)變更 (取代了“白線”安裝焊接法)，從而簡化了線路內(nèi)測試 (ICT) 和電路板調(diào)試。另一個好處是，由于有實時遙測數(shù)據(jù)可用，所以有可能預(yù)測電源系統(tǒng)故障，并采取預(yù)防措施。也許最重要的是，具備數(shù)字管理功能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器使設(shè)計師能開發(fā)“綠色”電源系統(tǒng)，在負(fù)載點、電路板、支架甚至安裝階段，以最低限度的能源使用量，達(dá)到目標(biāo)性能 (計算速度、數(shù)據(jù)傳輸速率等)，從而在產(chǎn)品的壽命期內(nèi)，降低基礎(chǔ)設(shè)施成本和總體擁有成本。

　　王劍從模塊的角度分析了數(shù)字電源的走俏。制造商喜好使用模塊解決方案，因為相比分立解決方案，模塊解決方案具有數(shù)項優(yōu)勢。首先，模塊方案有助于提高系統(tǒng)的可靠性和效率。許多成套設(shè)備開發(fā)人員在設(shè)計功率部件和柵極驅(qū)動電路時遇到了困難，因其布局周邊是非常敏感的。而模塊解決方案在設(shè)計中考慮了這些因素，以期減小雜散電阻/電感并優(yōu)化開關(guān)特性，這可以通過優(yōu)化硅晶片安排及縮短引線粘接長度來實現(xiàn)。其次，模塊方案能夠簡化成套設(shè)備的設(shè)計和制造過程。最近，瞄準(zhǔn)家用電器的低成本模塊產(chǎn)品集成了某些不可缺少的外設(shè)，如 Bootstrap 二極管和NTC熱敏電阻，以及具有較低熱阻的隔離基底材料，能夠簡化裝配過程并提高散熱性能。