节能要从“芯”开始 降低待机能耗 提高工作效率

经济的迅速发展，技术的不断进步，催生了各种智能家电以及娱乐视听产品的繁荣。它们令人眼花缭乱的功能彻底改变了我们单一的生活方式。我们一方面在享受各种新鲜产品带来的乐趣，一方面却不得不面临待机能耗使用量剧增而引发的能源浪费问题。今年9月，由中国电子学会、英特尔、联想等13家电子信息产业机构联合向业界发出了“中国电子节能倡议书”，号召各电子信息企业大力研发、采用和推广电子节能新技术、新产品，提供有针对性的节能技术解决方案。与此同时，各国政府、国际组织和行业团体也早就出台了一系列节能标准规范，并且有的已经开始强制实施。待机能耗的迅速增长和由此引发的问题引起世界各国越来越多的关注，“节能”已经成为一项全球性议题。

各项规范标准助力“节能革命”


根据国际能源署(IEA)统计显示，待机能耗使用量约占家庭用电量的3~11%。IDC近期对世界计算功率估计用量的研究结果也显示，2005年美国服务器群的耗电量达到了美国当年总发电量的1.2%。这笔能耗的公用事业费为27亿美元，仅此一项所消耗的电力相当于5家巨型发电厂昼夜不停的运转几年。单就美国而言，能耗下降1%就意味着每年可以节省2,700万美元的巨额费用。




机电控制如果转为直流变换可节省40%能耗。


在节能浪潮的推动下，各项规范标准纷纷出台。2000年，国际能源署发起了“1W计划”，目标是在2010前将所用电器的待机能耗降至1W以下。我国中标认证中心实施启动了待机能耗“1W”认证计划。而美国国家环保局和能源署向消费者推广的高质量和高效率的节能产品的认证项目——能源之星，仅在2006年就为美国消费者节省了140亿美元的电费，节约了相当于1.5个三峡工程或50多个新发电站的发电量。此外，美国能源署还推出了“80PLUS”计划、计算机产业气候拯救行动(CSCI)，致力于提高电源工作效率。欧盟也推出了欧盟生态标签(EU Eco-Label)、欧盟行为准则(EU Code of Conduct)等。国际电工委员会推出了IEC 1000-3-2 D标准，旨在改善电源谐波污染，提升功率因数。


创新技术打造节能方案


各项节能标准规范的推行，为电源系统设计提出了更高的要求。电源芯片厂商需要考虑三方面因素，以达到节能环保要求：一、降低待机能耗；二、提高电源工作效率；三、改善功率因数，降低谐波污染。


电源空载及轻载都会有待机能耗问题。空载时，如电池充电器、AC-DC墙式适配器等仍会从交流电源吸收最小功率；而系统轻载时，依然有一些智能功能在工作，如电视机、空调、DVD等其微处理器需要等待遥控信号。因此，待机能耗是“节能”的首要任务。


电源管理领先供应商安森美半导体一直将节能作为关注的重点。该公司发言人指出，要解决待机能耗问题，必须清楚损耗在哪里，这通常包括启动电路、驱动电路、偏置电路、输出整流器、磁性元件等。例如过去在待机工作模式下，传统的脉冲宽度调制(PWM)控制器都不考虑待机的具体要求，因此安森美推出了软跳周期技术，其NCP1337增强型PWM电流模式控制器采用这种技术控制峰值电流并消除一些开关脉冲，从而控制开关损耗，以实现空载、轻载状态下的高能效，并且该技术还可以在变压器进入跳周期工作时有效消除噪声，满足节能、待机与工作状态等各种要求。NCP1337利用反馈引脚工作监控芯片状态，只要功率要求低于预先设置的水平，即进入跳周期节电模式。据介绍，安森美推出的第五款GreenPoint电源参考设计就是基于NCP1337芯片开发，GreenPoint不仅满足而且还超越了部分节能规范的要求。该公司表示，300瓦GreenPoint ATX电源参考设计在高电压输入时可以达到86.5%的满载能效，在20%的轻载时能实现82.5%的能效，不仅高于市场上常见ATX电源70%的能效，更高于美国能源署“80PLUS”计划要求，并且非常接近计算产业气候拯救行动(CSCI)组织提出的到2011年实现满载下87%能效的要求。GreenPoint可应用于电源适配器、ATX电源、CRT电视电源和LCD电视电源等。


除此之外，安森美还有一系列技术满足电源产品节能的要求，有的采用更好的拓扑结构，如准谐振谷底开关、在2段式转换器中关断PFC段降低待机能耗；有的采用更好的元器件(场效应管和二极管等)，如频率反走、同步整流、软开关(准谐振、全谐振)、有源钳位等提高电源工作效率；有的在主电源转换器中整合PFC，以及在指定应用和功率等级优化PFC控制模式，如非连续导电模式(DCM)、临界导电模式(CRM)和连续导电模式(CCM)等，改善功率因数。


同样高举“绿色节能”大旗的另一业界巨头飞兆半导体也推出了一系列功率优化方案。飞兆半导体公司技术及应用支持中心亚太区副总裁王瑞兴表示，飞兆现在可以提供以下几类高能效的产品：智能功率模块SPM，功率开关FPS，高性能负载开关IntelliMAX，实现效率最大化的功率因数校正(PFC)器件，新一代高压MOSFET器件SuperFET，以及宽泛围的集成式电机驱动解决方案。王瑞兴指出，飞兆半导体在提供解决方案方面的业务焦点是向着节能趋势发展，一如既往地根据法规或客户的要求，不断推出创新的电源解决方案及架构，从三个方面进一步提高能效及节省能源——提高功率因数(PFC产品)、效率最大化(SPM与FPS产品)、降低待机功率(绿色FPS产品)。


一直在电源管理产品领域深耕细作的凌力尔特公司则致力于生产兼具高转换效率和低静态电流的电源管理IC。凌力尔特在许多电源管理IC中都采用了其专利突发模式(Burst Mode)技术，该技术最大限度地减小了电源管理IC本身在待机模式期间所需的电流。在多数场合中，采用该技术的产品待机静态电流可低至16μA。凌力尔特电源产品事业部产品市场经理Tony Armstrong表示，节能型DC/DC转换器中使用的电源管理IC必须具备两个重要特性。首先，必须拥有非常高的转换效率。其次，无论是在待机模式还是在停机模式中，都必须具有低静态电流。电源管理IC的效率越高，其在转换过程中的功耗就越低。


美国国家半导体则推出了Powerwise技术，为受能源所限制的数字设备如手机、PDA、手持游戏机、个人导航仪和其他设备提供了先进的能源管理解决方案。PowerWise采用自适应电压调节(AVS)和阈值电压调节等技术，将数字逻辑集成电路的工作和泄漏功耗自动降至最低，同时保持小的系统开销。PowerWise以IP综合套件形式提供给客户，具有易于使用的标准硬件接口，该技术可应用于所有CMOS工艺，并且可与任何操作系统或应用集成，同时还可将数字处理器的能耗降低70%，大大提高了能源效率。



黄汉基：功率放大器开关单元可延长电池使用寿命，并解决手机散热问题。



国家半导体亚太区电源管理产品市场总监黄汉基指出，该公司一系列高能源转换效率产品都采用了Powerwise技术，包括电源管理系统、运算放大器、接口芯片及数据转换系统等产品。他还表示，国家半导体另一项节能技术是“功率放大器开关单元(SuPA)”，可以延长电池使用寿命，并且解决CDMA/WCDMA手机的散热问题。采用SuPA技术的产品可以降低能耗达80%以上。此外，美国国家半导体还推出了新型的封装形式“micro SMDxt”，可以节省高达70%的电路板空间。黄汉基表示，micro SMDxt封装是原有的micro SMD封装的技术延伸，该技术将使美国国家半导体在功率集成上处于领先。


另一家电源管理供应商IR推出了其高效的“iMOTION”集成设计平台，该平台是一种优化的系统架构，将IR特有的高压集成电路与数字、模拟和功率构造模块以及用于家电的无传感电机控制数字控制算法融为一体。该平台可使系统效率达到95%以上。


就在国际大厂纷纷在节能领域施展拳脚的同时，本土厂商也丝毫没有懈怠。经过数十年的发展，本土厂商的产品逐渐为更多的客户接受，他们已经开始在一些领域可以与国际大厂抗衡。作为一家成立不到3年的电源厂商，昂宝电子在成立之初就一直潜心致力于高性能电源控制IC的研发，经过两年努力，开发出具有自主知识产权的“绿色引擎”(GreenEngine)技术平台。昂宝电子市场及销售副总裁黎波表示，基于“绿色引擎”平台的电源管理芯片以绿色环保、高效节能为特长，并且范围覆盖各种AC-DC电源转换、充电器、CCFL显示屏背光电源系统，以及功率因数校正器等各个方面。昂宝新近推出的高性能准谐振PWM控制器OB2202/3，可提供超过88%的转换效率和实现低于0.3W的待机功耗。与传统的定频PWM系统相比，准谐振(QR)技术在降低EMI噪声、提高系统效率和减小开关损耗等方面具有明显优势，因而越来越受到用户的关注。此外，昂宝还推出了一系列基于“绿色引擎”技术的产品，可满足各项节能标准，并达到小于0.3W的待机节能要求。


黎波表示，除了“绿色引擎”平台满足节能环保要求外，昂宝电子的所有产品材料均符合RoHS指令要求，另外，在电磁环境绿色环保方面，昂宝电子采用先进的“频率抖动技术”降低了系统EMI干扰，可以为客户降低系统成本、缩短设计周期。


节能，从应用入手


市场的不断增容，使得全球对电子元器件的需求大幅增长，节能势在必行。照明、IT产品和电机控制是三大高能耗领域。王瑞兴表示，仅照明领域一项的能耗就占电能消耗总量的19%。而在过去的十年，大型路由器的功率要求增加了10倍。台式电脑、图形处理器(GPU)和更大容量的存储器都要求更高的功率和更多的数据中心或互联网服务器群，其功耗相当于一个小型城镇的耗电量。2005年，需要14个1,000兆瓦的电厂的发电量才能维持全球在线数据中心的正常运转。对于电机控制能耗来说，如果现有解决方案转换到变速DC电机大约可节约40%的能源。如果10万户家庭改用ECC认证空调，每年可省电超过10GWh，足够中国6,100户家庭使用。他强调，从白炽灯泡转型为荧光灯或LED灯可以节能75%，从单相AC电机转型为变速电机可以节能40%，改感应电机为永磁电机则可提高5%的效率，而降低家电的待机功耗相当于节能5~10%。


在同样的照明效果下，LED照明解决方案的能耗仅为一般白炽灯光源信号灯的10~20%，并且其使用寿命也比普通灯泡延长了100倍，光线质量高且稳定。目前以荧光灯、发光二极管或高密度放电(HID)灯取代白炽灯的工作正在积极展开，在许多场合，如景观照明、信号灯等都采用了LED照明方式。LED照明已经逐渐成为一项全球趋势。


随着超便携式应用的迅速发展，对AC-DC适配器或供电插座的需求开始增加。中国信息产业部2006年12月颁布并于2007年6月强制实施的“YD/T 1591-2006移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法”标准，对AC适配器实行标准化，可以避免便携式可充电系统不得不配备自己的专用适配器的麻烦，并且大量减少了电力的浪费。此外，液晶电视市场以超出业界预期的速度发展，也为电源IC带来极大的市场应用前景。


Maxim便携式通信电源产品业务总监Tony Lai指出，手机用户需要越来越多的功能，由此引发了需要高效率的应用——LCD背光。LCD背光解决方案要求体积越来越小，越来越薄，并且需要更高的效率。这些导致了多样的电荷泵拓扑结构。负电荷泵的效率要高出传统正向电荷泵10~12%。Maxim推出的MAX8647/8负电荷泵，为LCD显示器背光供电时具有较高的效率。MAX8647可用于所有的显示器背光以及通用照明管理。I2C接口可以对各个LED进行控制，实现灵活的多区照明管理。


电源管理IC发展趋势


电源芯片在帮助电源子系统或电子整机产品不断提高工作能效、降低待机能耗和改善功率因数的同时，也在朝着集成度更高、保护功能更强大的封装更小巧等方向发展。王瑞兴表示，DC/DC转换器的增长超过了线性调节器，并将朝着取代线性调节器的方向发展。因为在超便携式应用中，效率变得越来越重要。预计未来数年后3G电话的电池寿命会延长一倍，如果没有这种高效的DC-DC转换器，电池尺寸可能会变的很大。而功率管理市场的另一个发展趋势是在板级、机架级和工厂级对功率系统内部通信的要求。这种要求为数字功率管理和监控以及数字环路控制提供了机会。数字环路控制能够提供模拟领域很难或无法实现的优点(如动态自调补偿)。相比同等的模拟解决方案，数字实现方案可以减少达50%的系统组件数目，这意味着更高的可靠性和更低的材料清单成本。


Armstrong则表示，在高功耗应用中，空间和散热受到越来越多的重视。他指出，对于任何负载点DC/DC转换器而言，紧凑、高效率和低静态电流都是极其重要的，目的在于满足新兴的“绿色”标准。此外，许多微处理器和DSP都需要一个内核电源和一个输入/输出(I/O)电源，在启动期间必须对这些电源进行排序。设计人员不得不考虑内核和I/O电压电源在上电和断电操作期间的相对电压和定时，以与制造商的规格相符。如果没有进行正确的电源排序，则有可能发生闭锁或吸收电流过大的现象，从而会导致微处理器的I/O端口或某个支持器件(如存储器、可编程逻辑器件PLD、现场可编程门阵列FPGA或数据转换器)的I/O端口受损。同时，由于高性能、高功率电源设计对功率的需求不断攀升，可用电路板空间同时也在日趋缩小。不仅如此，对电源设计人员(不管是否富有经验的老手)来说，功率密度也使他们面临着新的重大挑战。通常，这些设计均需要拥有90% 以上的转换效率，以限制功耗量和电源的温升。热性能就变得尤其重要，原因是可用于耗散因DC-DC功率转换损耗所产生的热量的空间非常小，而且空气流量有限。另外，这些电源还必须具有超群的输出纹波和瞬态响应性能，同时限制所需的外部电容数量，以缩减电源方案的总尺寸。


上海贝岭股份有限公司市场与技术支持部经理颜重光对电源产品的发展趋势做给出了一个综合性评价。他表示，2007年便携式产品市场对电源芯片的要求是集成更多的功能、小封装、低功耗、低噪音、高共模抑止比、低成本、解决散热瓶颈，电源芯片的一个发展方向是集成LDO+Buck+Charge Pump+I2C+SPI等多功能，并向SoC和PMU方向发展。未来，电源芯片集成的功能越来越多、性能越来越好、封装越来越小、价格越来越便宜、功耗和待机电流越来越小、使用材料越来越环保。