半导体技术创新帮助电子产品实现绿色节能

　　前段时间全球关注的一个新闻是墨西哥湾的原油泄漏事件，每天大约40000桶漏油不仅仅是一个巨大浪费，也是一个生态灾难。其实从全球功率效率的角度看，由于用电设备效率低下造成的能源损失和过多“温室气体”排放也不可轻视。根据环境影响评估机构 (EIA)的预测数据，从2005年到2030年，全球能源消耗将增长50%。而在亚洲，降低排放的压力也非常大。中国大陆第十一个“五年计划” (2006-2010年) 要求单位GDP的温室气体排放要降低20%，但在前四年只减低了14.38%。要解决这些突出的全球性能源和环境问题，可能需从两个方面着手，一是要提高现有能源的使用效率，二是要提供尽可能多的可替代能源或者可再生能源，而这两种方式都离不开半导体技术的创新。

　　功率半导体的创新体现在多个方面，可以是电路架构和设计创新，也可以是集成度、以及封装技术的改进。在半导体产业中，飞兆半导体的创始人之一Gordon Moore先生发明的“摩尔定律”见证了集成电路(IC)的发展历程。在功率半导体领域，也没有完全脱离该“摩尔定律”的影响。譬如说，在LED市场，有一个类似的Haitz定律 (Haitz’s Law)：LED亮度约每18-24个月可提升一倍。而LED技术也致力提高功率半导体的集成度和效率，把更多的功能和特性集成在一起。譬如飞兆半导体的FAN6754即是一款高集成度PWM控制器，相比其它解决方案，FAN6754可提供高电压启动，将轻负载下的能效提高25%，还集成有过压(OVP)、过流(OCP)与过热保护(OHP)功能，以及电压过低和线路补偿功能，可以省去外部保护电路。

　　提高功率半导体的集成度和效率

　　功率半导体的创新可以分为渐进式(Evolution)和革命性 (Revolution)两种方式。从线性电源到开关电源是一种革命性创新，电源效率从线性电源的30%-50%提升到开关电源的70%以上。但是开关电源的效率也不断地进一步提升，从最初的70%提升到目前的90%以上，具体效率依赖于系统功率大小和要求。以移动设备为例，其开关电源的效率可以达到80%以上，但是由于功率较小，即使使用最新技术，进一步提高效率有很大难度。一般家用电器的开关电源效率可以达到85%以上，而PC电源效率则可以达到85%-90%。功率更高的服务器电源基本都要求效率在90%以上，而大功率的太阳能逆变器要求功率效率达到95%。

　　目前开关电源所使用的磁性元件和电容需要进行高频率下工作，高频率开关必然带来的高损耗。目前有一个很好的技术来解决这一问题，那就是在学术界非常出名的“软开关” (soft switching)技术。目前，采用这种技术的器件可能不到5%，预计未来三到五年内这种技术的普及率或许增长到30%-50%，因为对于任何一种应用，采用该技术后效率都可以提升5%-10%，这种技术可望成为电源市场的又一次革命性创新。但是这种技术也有一些代价，系统的控制会更加困难，器件的精准度要求非常高，可能会造成系统成本提高。但是，由于系统效率提高，又可以简化系统设计，包括散热等实现起来更加简单、容易。

　　飞兆半导体已经发布了基于“软开关”创新技术的器件，包括针对电视机应用的T-series系列产品, 可以使电视机电源效率从80%提升到90%，这些器件得到了许多亚洲特别是中国电视机厂商的欢迎，已经占据了当地市场份额的30%-40%。“软开关”技术未来也会扩展到电视机电源以外的其他应用领域，包括PC电源、街灯照明等等。预计在2011年，“软开关”技术将在PC电源市场得到广泛应用，届时将提高PC电源的效率，降低PC的待机功耗，进一步节省物料清单 (BOM)成本(见下图)。

图1：2011年前后，“软开关”技术将在PC电源市场得到广泛应用

　　通过封装技术创新实现更佳产品

　　飞兆半导体在封装技术的创新方面不仅仅体现在性能，也包括如何降低芯片的封装成本，给客户提供更加有竞争力的方案。在上面提到的产品中，是真正体现了飞兆半导体在系统知识、电路设计和封装技术的优化结合。在一个封装内部集成有三个硅片，用独特的封装技术实现系统级封装(SiP)，产品只有9个引脚，使电子产品的可靠性得到很大提升，产品组装更容易。同时，由于产品集成度提高，也使总体设计体积减小，PCB布局和设计更加容易。

　　降低马达和照明市场的能耗

　　从全球市场来分析，马达控制市场占全球能源消耗的50%以上，照明市场则占19%，而消费产品和IT各占百分之十几左右。据此可以看出，全球大部分的能源消耗是在马达运动和照明市场，这也是飞兆半导体近来非常关注的领域。 在白色家电等需要运动控制的市场，产业所面临的设计挑战是如何提高能效，降低系统成本，并简化设计。从感应马达到永磁马达的转变可以使系统效能提高5%，而直流逆变器在变频空调等家电中的采用则可以使系统节能达到40%以上 (见下图)。飞兆半导体在空调器、洗衣机和电冰箱等白色家电市场拥有完整的解决方案，高效率集成式Motion-SPM功率模块，能够替代多达22个分立元件，适用于高达3kW范围的家用电器和工业电机应用，在紧凑Mini-DIP封装内集成了经过全面测试的元件，包括HVIC、LVIC、NPTIGBT、FRD、以及自举电路二极管，可为高能效的三相电机提供出色的变频功率部分控制功能，能够大大减小线路板空间、降低制造成本、缩短产品上市时间及提高系统可靠性。

图2：直流逆变器在变频空调等家电中的采用则可以使系统节能达到40%以上

　　照明市场一个革命性的创新将是LED照明取代传统的照明方式。举例来说，现在使用的50W白炽灯泡，如果采用LED，可以用5W的LED灯来替代。LED照明最突出的问题LED灯的寿命和二次光学设计等问题，而LED灯的寿命和使用环境、电源驱动系统的设计有很大关系。在LED照明中，只有20%的热量是由LED产生，而其余80%的热量则是由驱动器产生。因此，提高电源驱动的效率非常关键。飞兆半导体的200W DC-DC电源参考设计RD212采用零电压开关 (ZVS) 技术，系统效率可高达94%，并具有过压保护 (OVP)、过载保护 (OLP)、过流保护 (OCP)、异常过流保护 (AOCP)和内部过热关断保护(TSD)等许多保护功能。这款设计是飞兆半导体结合在电路设计和封装技术方面创新的范例。其中包括用“软开关”技术实现的绿色FPS功率开关FSFR2100，在高导热效率的SiP封装中集成了脉冲频率调制 (PFM) 控制器和高压栅极驱动器、两个快速恢复MOSFET(FRFET) 以及如软启动和间歇工作模式等重要的保护功能。能够处理高达200W功率而无需使用散热片。

　　便携式设备市场

　　在便携式设备市场，由于功率较低，要大幅度提高功率效率是一个挑战。但是由于便携式设备出货量很大，哪怕是细微的效率改进都可以汇聚为巨大的能源节省。以手机为例，2009年全球手机出货量已经达到12亿部，要提高手机等以电池供电的便携式设备功率效率，需要更高效率地管理电池充电和放电两个过程。当代手机需要多个电压，以便满足显示屏、基带处理器、闪光灯等要求，飞兆半导体拥有升压/降压转换器、LED驱动器、低压MOSFET、以及负载开关等高效电源管理方案，飞兆半导体的TinyLogic®器件可以与基带处理器通用I/O直接对接，具有极低的静态电流。

　　充电器市场

　　在充电器市场，所面临的突出挑战是满足能效更高、体积更小、物料成本更低的设计要求，这需要半导体供应商提高集成度，并不断减少外围元件数量。在提高能效方面，诺基亚 (Nokia)、三星 (Samsung)、索尼-爱立信 (Sony Ericsson)、摩托罗拉(Motorola)和LG等手机厂商提出的五星级充电器要求，在没有负载情况下待机功耗不超过30mW，这对于电源适配器和充电器提出了更高要求，半导体的初级端调节 (Primary Side Regulation) 技术是一种理想的解决方案。此外，飞兆还拥有高效USB附件/充电器等解决方案。

　　可替代能源市场

　　在可替代能源市场，飞兆半导体是主流太阳能逆变器制造商的重要供应商，由于飞兆半导体的器件具有高效率和高可靠性，大量制造商选择我们的IGBT、高压整流器和 SuperFET™ MOSFET用于功率转换级。此外，飞兆半导体性能稳健的半桥栅级驱动器及光隔离栅极驱动器可在功率开关和主控制器之间提供出色的连接。在新兴的微逆变器领域，飞兆半导体自新技术推出以来，一直积极参与，我们的转换器产品能够在严苛的环境条件下提供高功率密度和高可靠性，这些转换器可直接连接至太阳能面板上。

　　总结

　　谈及高能效设计，无论是OEM、ODM厂商还是一些专业的设计公司，都必须要面对来自直接用户(或者消费者)以及政府机构的双重压力，来不断提高自己产品的效率。例如中国的“中国能效标识”和美国加州的CEC规范等等。以前制造商所感兴趣的是低成本解决方案，但是目前他们对于高能效解决方案更加感兴趣，之后再考虑如何降低成本。同时，绿色设计也是公司提升品牌形象，增强消费者信心的重要途径。效率提升意味着散热减少，产品生命周期延长。从另外一个角度看，产品生命周期延长就等于减少了资源消耗，因此提高电源效率节省的不仅仅是能源，也包括地球上的各种资源。