电源管理诠释节能

2010-09-10

随着环保问题日益引起重视,低碳、环保之词充斥于各大媒体,引发了一系列关于环保问题的讨论。其实,在我们讨论环保问题之时,必须明确的一个前提是不影响现阶段的生活状态。试想,如果让人们强调环保以至于回到过去“钻木取火”“日出而作日落而息”的状态,估计没多少人会继续坚持将环保的口号喊下去。因此,所谓环保,就是在现有生活水准基础上尽可能减少对地球环境的破坏,直观点就是尽可能减少不可再生能源的应用,以缓解二氧化碳给气候带来的压力。然而人类现代化生活所需要的正常能源又是不可或缺的,因此必须在解决必要能源需求的基础上实现环保的要求。

 

开源节流,从来都是相辅相成的两个方面,对于环保而言同样如此。开源,就是充分开发如太阳能、风能、水利等可再生资源,而节流则是在相同生活需求的前提下,尽量降低能源损耗。对于半导体产业而言,环保的责任就是通过尽可能降低半导体产品的电力消耗以及由半导体产品带来的电力节省来实现能源消耗的节流。

 

BP世界能源报告指出,2007年全球能源消耗的三分之一来自于电子系统,累计耗电量超过17.1M GWh(17.1兆千瓦时),这个数字还将以3%左右的速度不断攀升。2007年,中国电子系统的能源消耗超过2.8兆千瓦时,仅次于美国,如果通过半导体技术将现有电能消耗节约5%,就相当于每年节省出5个三峡水电站的发电总量。

 

半导体的节能趋势

 

无论从半导体厂商还是电源制造商的观点来看(往往两者有很多共同点),今后的主体发展趋势仍将集中在进一步提高转换效率,提升功率密度,高可靠性及更低成本。电源的效率几乎是电源技术与应用中永恒的主题,随着全球经济的一体化和对节能环保的关注,更高的转换效率意味着对能源的有效利用和减少能耗开支。以马达驱动为例,近年来逐渐得到普及和应用的电力电子变频调速技术就变革性地改变了全世界工业和家庭用的交流电动机的使用,并极大程度地节约能源。配合液晶显示技术而来的背光源电力电子应用完全改变了传统彩色电视机的市场、产品和消费。

 

Microsemi 功率产品部应用工程经理钱昶认为,随着电源系统功率处理能力的不断上升和对系统体积<>不断减小的要求,功率密度变成未来发展的重要课题:不同于早期的体积重量要求主要集中在航天军工等特殊领域,功率密度现在大量的民用产品和应用中也占据了举足轻重的地位。便携式电脑和手持移动通信设备就要求有极高的功率密度,使得设备本身变得更小超薄。另外,在中等功率范围的应用中,例如集中式的太阳能逆变器和工业电焊机,设备体积和重量也是重要的考虑因素。

 

高可靠性和成本常常是一对矛盾:在提高可靠性的同时,将会牵涉到使用更昂贵的材料或更多的元器件与电路。如何在此二者

 

之间找到最佳的平衡和折衷也是未来电源技术与市场发展的主题之一。在通信电源领域,器件工作的可靠性历来受到制造商和终端客户的重视。半导体和系统的可靠性越高,生产厂商所承担的产品保证所带来的费用就越低,而且同时降低了用户在设备维护方面的人工与成本。在可靠性与成本方面突破性的发展将依赖于半导体器件的新工艺技术,以及无源元件,特别是磁元件和电容的材料,设计和制造的进展。

 

直面设计挑战

 

帮助工程师提升电源设计效率,一直是半导体厂商与电源系统工程师最关注的问题。进一步提高能效依赖于半导体器件,电路拓扑结构和封装技术的新发展或优化选取。

 

首先,从器件方面,功率型金属氧化物场效应管(MOSFET)一直以来在小功率应用方面占主导地位。沟道栅极技术已普遍于低压MOSFET以减小通态电阻从而降低损耗。而在未来几年里,沟道栅极技术有向较高电压MOSFET推广的趋势。所以这对于300V 以上的功率型MOSFET管是一个新变化。近些年来超结 (Super Junction) MOSFET发展也很快,对应于传统的500V 以上的平面MOSFET在通态电阻和电流密度方面具有竞争力,但是它的动态开关特性还是弱于平面MOSFET,从而使高频高电压应用仍然偏向传统型的MOSFET。另外宽禁带MOSFET器件,例如氮化镓 (GaN) 和碳化硅(SiC) MOSFET 在研发中不断取得的成就也表明这些新型的复合半导体器件会逐步走向商用化,极大提升系统能效,改变硅半导体目前在市场上的一统局面。

 

其次,工程师可以灵活运用各种各样的拓扑结构以提高系统效率。像现在通信电源和服务器电源设备中常用的零电压开关相移式全桥结构就是新拓扑加新控制的典范。在太阳能功率变换中,三电平二极管钳位逆变器具有低成本、高效率的特点,作为一种新兴的电路拓扑结构能在特定应用场合下提高能效。

 

最后,优化半导体器件或电路的封装也是提高系统能效的一种积极手段。关于这点常常被人们忽视。优化的封装可以直接改善电路中的杂散参数,例如寄生电感,从而优化电特性。实践表明紧凑的封装不仅减小电路体积,更重要的是能减小开关过程中的电压电流尖峰。使用相对低电压等级的器件将有利于减少损耗。另外,优化的封装可改善系统散热,以减低电路或器件的工作温度,从而进一步降低损耗。

 

概括地说,从系统角度出发,认真选择与优化器件,电路与封装配合优化的控制方法就一定能最大限度地降低损耗,提升系统能效。

 

凌力尔特公司电源产品市场总监Tony Armstrong介绍,任何系统中的功耗都必须以两种方式解决,首先,跨整个负载电流范围最大限度地提高转换效率,其次,降低 DC/DC 转换器在所有工作模式时的静态电流。因此,为了在降低系统功耗方面发挥积极作用,电源转换和管理 IC 必须提高效率,也就是降低功耗,并在轻负载和休眠模式具有非常低的功耗水平。特别是很多大功率系统都采用多种单阶转换或两阶转换方法的组合来应对有关的热量问题。然而,系统设计师面临着一个以哪种方式来满足特定系统需求的难题。

 

电压不断下降的同时提高电流的需求日益增加,这持续促进了很多这类大功率系统的开发。在这一领域取得的大多数进步都可以追溯到电源转换技术领域的改进,尤其是电源 IC 和电源半导体的改进。总之,这些组件允许在对电源转换效率影响最小的情况下提高开关效率,对提高电源性能做出了贡献。这是通过降低开关和接通状态的损耗、同时允许高效率去除热量而得以实现的。不过,向较低输出电压迁移给这些参数施加了更大的压力,这反过来又导致了极大的设计挑战。

 

节能方法

 

当能效标准逐渐成为电子产品新的紧箍咒,各大电源半导体厂商不得不面对电源管理技术的全新挑战。

 

节能减耗是电源技术发展的主要趋势和方向。目前的国际国内标准对待机功耗,负载效率提出严格要求,比如EnergyStar、EPA等,对于半导体厂家来说要求提供更为有效方案来节能减耗。数字电源是另外一个发展趋势,其具有传统模拟所不具备的许多优势,在通信电源,新能源等将会得到更多应用。德州仪器高级技术市场开拓工程师刘学超认为,对于电源半导体供应商来讲,主要是通过新的控制方式和模式转换来帮助提高效率降低功耗,在电源领域未来比较重要的发展热点包括谐振控制技术、低待机功耗、超薄电源 、LED驱动电源和数字电源。

 

半导体制造商正在开发多种创新技术,如全新的控制方法,可以省去附加的外部组件,从而也可以降低功耗。同时,虽然效率主要由所选择的外部功率级设计和开关频率来决定,但是半导体组件能够减少I2R损耗。飞兆半导体亚太区市场行销及应用工程副总裁蓝建铜认为,主要发展趋势和市场需求将会集中在提高功率转换效率、组件集成度和降低待机功耗等方面。同步整流、交错式拓扑和数字通信等应用不断增多,未来数年,这三个方面将给电源和功率管理方式带来重大的影响。

 

美国国家半导体(NS)亚太区资深市场经理吴志民介绍,NS一直在提高电源产品的易用性和功率密度方面进行不懈的努力:客户希望减少在电源设计方面的工作量,因此倾向于选择易于使用的电源技术。电子设计业的专业化分工日趋明显,许多客户并非电源管理技术的专家,他们希望电源厂商提供容易使用的电源模块,并且能够提供相应的设计指导来加快产品设计进程。另一方面,由于现在的电子越来越朝着“轻薄”方向发展,供电系统占用越来越少印制电路板的板面空间,因此电源管理解决方案的功率密度必须不断提高。美国国家半导体目前有多个办法可以解决这些问题,例如采用更高的开关频率、更先进的封装技术以及更精密的生产工艺。

 

安森美半导体电源及便携产品全球销售及营销高级总监郑兆雄认为,主体趋势将是以创新技术来帮助电子产品提高能效,进一步推动绿色节能趋势。举例来说,目前液晶电视市场快速发展,就其背光源而言,仍是传统的冷阴极荧光灯(CCFL)占主导地位;新兴的发光二极管(LED)背光源与之相比,色彩表现更优势,大幅降低能耗,且更加环保,但碍于成本因素,目前市场渗透率还相对较低,不过,LED背光源的液晶电视市场将在今后几年内赶上及超过CCFL背光源。除了液晶电视背光应用,LED通用照明市场也将快速发展,随着应用规模的扩大,将进一步从商业应用向主流消费及住宅市场渗透,让用户更广泛地享受到绿色节能的好处。

 

更高层面的机遇

 

而从更高的层面来讲,今天的电网变得比以往更大、更安全及更高能效,但其智能化程度仍然偏低,故智能电网是当今的重要发展趋势。而智能电网的核心就是智能电表,借助智能电表,电力事业机构能够知道用户在任意时间所使用的电能,便于他们提供差异化的定价,帮助用户优化其总体电能消费和电费支出。如今智能电网技术正蓬勃发展,太阳能和风能发电是智能电网的分布式发电组成部分。

 

 

以节约能源或能量收集为目标的任何产品都将有增长机会,而且不会受目前市场状况的影响。能源成本和环境的关注以及需要延长移动设备的电池寿命,已经导致人们看重为多种应用优化电源的问题。随着近年来全世界对绿色能源的需求不断增长,可再生类能源中的太阳能和风能的发展势头尤其迅猛。据统计,从2001年至今太阳能系统需求在全球范围内的平均年增长35%,即使经历2009年太阳能市场的周期性效应,在未来几年的预测年增长速度仍将保持在40%以上。面对这样一个迅速成长的庞大市场,太阳能和风能技术主要包括DC/DC升压和DC/AC逆变,除太阳能光电转换板之外,对功率半导体的需求也将成为众多半导体厂商的一个重大机遇。众所周知,从太阳能光电板出来的直流电需要转换成稳压恒频的交流电,才能给不同的家用或工业负载供电或与注入电网。这个转换过程将由各种电力电子变换器完成,其中心目标是高效率,高可靠性,经济的实现电能变换。太阳能变换对功率半导体的需求是多层次的,体现在器件,电路与系统诸方面。


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