電源管理詮釋節能

摘要：電源管理對于節能技術而言至關重要，本文試圖通過介紹電源管理技術發展及設計趨勢，探討電源管理技術在節能中的應用。

關鍵詞：節能；電源管理；功率半導體；智能電網

隨著環保問題日益引起重視，低碳、環保之詞充斥于各大媒體，引發了一系列關于環保問題的討論。其實。在我們討論環保問題之時，必須明確的一個前提是不影響現階段的生活狀態。試想，如果讓人們強調環保以至于回到過去“鉆木取火”“日出而作日落而息”的狀態，估計沒多少人會繼續堅持將環保的口號喊下去。因此，所謂環保，就是在現有生活水準基礎上盡可能減少對地球環境的破壞，直觀點就是盡可能減少不可再生能源的應用，以緩解二氧化碳給氣候帶來的壓力。然而人類現代化生活所需要的正常能源又是不可或缺的，因此必須在解決必要能源需求的基礎上實現環保的要求。

開源節流，從來都是相輔相成的兩個方面，對于環保而言同樣如此。開源，就是充分開發如太陽能、風能、水利等可再生資源，而節流則是在相同生活需求的前提下，盡量降低能源損耗。對于半導體產業而言，環保的責任就是通過盡可能降低半導體產品的電力消耗以及由半導體產品帶來的電力節省來實現能源消耗的節流。

BP世界能源報告指出，2007年全球能源消耗的三分之一來自于電子系統，累計耗電量超過17：IM Gwh(17.1兆千瓦時)，這個數字還將以3％左右的速度不斷攀升。2007年，中國電子系統的能源消耗超過2.8兆千瓦時，僅次于美國，如果通過半導體技術將現有電能消耗節約5％，就相當于每年節省出5個三峽水電站的發電總量。

半導體的節能趨勢

無論從半導體廠商還是電源制造商的觀點來看(往往兩者有很多共同點)，今后的主體發展趨勢仍將集中在進一步提高轉換效率，提升功率密度，高可靠性及更低成本。電源的效率幾乎是電源技術與應用中永恒的主題，隨著全球經濟的一體化和對節能環保的關注，更高的轉換效率意味著對能源的有效利用和減少能耗開支。以馬達驅動為例，近年來逐漸得到普及和應用的電力電子變頻調速技術就變革性地改變了全世界工業和家庭用的交流電動機的使用，并極大程度地節約能源。配合液晶顯示技術而來的背光源電力電子應用完全改變了傳統彩色電視機的市場、產品和消費。

Microsemi功率產品部應用工程經理錢昶認為，隨著電源系統功率處理能力的不斷上升和對系統體積<>不斷減小的要求，功率密度變成未來發展的重要課題：不同于早期的體積重量要求主要集中在航天軍工等特殊領域，功率密度現在大量的民用產品和應用中也占據了舉足輕重的地位。便攜式電腦和手持移動通信設備就要求有極高的功率密度，使得設備本身變得更小超薄。另外，在中等功率范圍的應用中。例如集中式的太陽能逆變器和工業電焊機，設備體積和重量也是重要的考慮因素。

高可靠性和成本常常是一對矛盾：在提高可靠性的同時，將會牽涉到使用更昂貴的材料或更多的元器件與電路。如何在此二者之間找到最佳的平衡和折衷也是未來電源技術與市場發展的主題之一。在通信電源領域，器件工作的可靠性歷來受到制造商和終端客戶的重視。半導體和系統的可靠性越高，生產廠商所承擔的產品保證所帶來的費用就越低，而且同時降低了用戶在設備維護方面的人工與成本。在可靠性與成本方面突破性的發展將依賴于半導體器件的新工藝技術，以及無源元件，特別是磁元件和電容的材料，設計和制造的進展。

直面設計挑戰

幫助工程師提升電源設計效率，一直是半導體廠商與電源系統工程師最關注的問題。進一步提高能效依賴于半導體器件，電路拓撲結構和封裝技術的新發展或優化選取。

首先，從器件方面，功率型金屬氧化物場效應管(MOSFET)一直以來在小功率應用方面占主導地位。溝道柵極技術已普遍于低壓MOSFET以減小通態電阻從而降低損耗。而在未來幾年里，淘道柵極技術有向較高電壓MOSFET推廣的趨勢。所以這對于300V以上的功率型MOSFBT管是一個新變化。近些年來超結(SuperJunction)MOSFET發展也很快，對應于傳統的500V以上的平面MOSFET在通態電阻和電流密度方面具有競爭力，但是它的動態開關特性還是弱于平面MOSFET，從而使高頻高電壓應用仍然偏向傳統型的MOSFET。另外寬禁帶MOSFET器件。例如氮化鎵(GaN)和碳化硅(sic)MOSFET在研發中不斷取得的成就也表明這些新型的復合半導體器件會逐步走向商用化，極大提升系統能效，改變硅半導體目前在市場上的一統局面。

其次，工程師可以靈活運用各種各樣的拓撲結構以提高系統效率。像現在通信電源和服務器電源設備中常用的零電壓開關相移式全橋結構就是新拓撲加新控制的典范。在太陽能功率變換中，三電平二極管鉗位逆變器具有低成本、高效率的特點，作為一種新興的電路拓撲結構能在特定應用場合下提高能效。

最后，優化半導體器件或電路的封裝也是提高系統能效的一種積極手段。關于這點常常被人們忽視。優化的封裝可以直接改善電路中的雜散參數，例如寄生電感，從而優化電特性。實踐表明緊湊的封裝不僅減小電路體積，更重要的是能減小開關過程中的電壓電流尖峰。使用相對低電壓等級的器件將有利于減少損耗。另外，優化的封裝可改善系統散熱，以減低電路或器件的工作溫度，從而進一步降低損耗。

概括地說，從系統角度出發，認真選擇與優化器件，電路與封裝配合優化的控制方法就一定能最大限度地降低損耗，提升系統能效。

凌力爾特公司電源產品市場總監Tony Armstrong介紹，任何系統中的功耗都必須以兩種方式解決，首先，跨整個負載電流范圍最大限度地提高轉換效率，其次，降低DC／De轉換器在所有工作模式時的靜態電流。因此，為了在降低系統功耗方面發揮積極作用，電源轉換和管理Ic必須提高效率，也就是降低功耗，并在輕負載和休眠模式具有非常低的功耗水平。特別是很多大功率系統都采用多種單階轉換或兩階轉換方法的組合來應對有關的熱量問題。然而，系統設計師面臨著一個以哪種方式來滿足特定系統需求的難題。電壓不斷下降的同時提高電流的需求日益增加，這持續促進了很多這類大功率系統的開發。在這一領域取得的大多數進步都可以追溯到電源轉換技術領域的改進，尤其是電源Ic和電源半導體的改進。總之，這些組件允許在對電源轉換效率影響最小的情況下提高開關效率，對提高電源性能做出了貢獻。這是通過降低開關和接通狀態的損耗、同時允許高效率去除熱量而得以實現的。不過，向較低輸出電壓遷移給這些參數施加了更大的壓力，這反過來又導致了極大的設計挑戰。

節能方法大家談

當能效標準逐漸成為電子產品新的緊箍咒，各大電源半導體廠商不得不面對電源管理技術的全新挑戰。

節能減耗是電源技術發展的主要趨勢和方向。目前的國際國內標準對待機功耗，負載效率提出嚴格要求，比如EnergyStar、EPA等，對于半導體廠家來說要求提供更為有效方案來節能減耗。數字電源是另外一個發展趨勢，其具有傳統模擬所不具備的許多優勢，在通信電源，新能源等將會得到更多應用。德州儀器高級技術市場開拓工程師劉學超認為，對于電源半導體供應商來講，主要是通過新的控制方式和模式轉換來幫助提高效率降低功耗，在電源領域未來比較重要的發程熱點包括諧振控制技術、低待機功耗、超薄電源、LED驅動電源和數字電源。

半導體制造商正在開發多種創新技術，如全新的控制方法，可以省去附加的外部組件，從而也可以降低功耗。同時，雖然效率主要由所選擇的外部功率級設計和開關頻率來決定，但是半導體組件能夠減少I²R損耗。飛兆半導體亞太區市場行銷及應用工程副總裁藍建锎認為，主要發展趨勢和市場需求將會集中在提高功率轉換效率、組件集成度和降低待機功耗等方面。同步整流、交錯式拓撲和數字通信等應用不斷增多，未來數年，這三個方面將給電源和功率管理方式帶來重大的影響。

美國國家半導體(Ns)亞太區資深市場經理吳志民介紹。NS一直在提高電源產品的易用性和功率密度方面進行不懈的努力：客戶希望減少在電源設計方面的工作量，因此傾向于選擇易于使用的電源技術。電子設計業的專業化分工日趨明顯，許多客戶并非電源管理技術的專家，他們希望電源廠商提供容易使用的電源模塊，并且能夠提供相應的設計指導來加快產品設計進程。另一方面，由于現在的電子越來越朝著“輕薄”方向發展，供電系統占用越來越少印制電路板的板面空間，因此電源管理解決方案的功率密度必須不斷提高。美國國家半導體目前有多個辦法可以解決這些問題，例如采用更高的開關頻率、更先進的封裝技術以及更精密的生產工藝。

安森美半導體電源及便攜產品全球銷售及營銷高級總監鄭兆雄認為，主體趨勢將是以創新技術來幫助電子產品提高能效，進一步推動綠色節能趨勢。舉例來說，目前液晶電視市場快速發展，就其背光源而言，仍是傳統的冷陰極熒光燈(ccFL)占主導地位；新興的發光二極管(LED)背光源與之相比，色彩表現更優勢，大幅降低能耗，且更加環保，但礙于成本因素，目前市場滲透率還相對較低，不過，LED背光源的液晶電視市場將在今后幾年內趕上及超過CCPL背光源。除了液晶電視背光應用，LED通用照明市場也將快速發展，隨著應用規模的擴大，將進一步從商業應用向主流消費及住宅市場滲透，讓用戶更廣泛地享受到綠色節能的好處。

更高層面的機遇

而從更高的層面來講。今天的電網變得比以往更大、更安全及更高能效，但其智能化程度仍然偏低，故智能電網是當今的重要發展趨勢。而智能電網的核心就是智能電表，借助智能電表，電力事業機構能夠知道用戶在任意時間所使用的電能，便于他們提供差異化的定價，幫助用戶優化其總體電能消費和電費支出。如今智能電網技術正蓬勃發展，太陽能和風能發電是智能電網的分布式發電組成部分。

以節約能源或能量收集為目標的任何產品都將有增長機會，而且不會受目前市場狀況的影響。能源成本和環境的關注以及需要延長移動設備的電池壽命，已經導致人們看重為多種應用優化電源的問題。隨著近年來全世界對綠色能源的需求不斷增長，可再生類能源中的太陽能和風能的發展勢頭尤其迅猛。據統計，從2001年至今太陽能系統需求在全球范圍內的平均年增長35％，即使經歷2009年太陽能市場的周期性效應，在未來幾年的預測年增長速度仍將保持在140％以上。面對這樣一個迅速成長的龐大市場，太陽能和風能技術主要包括Dc／Dc升壓和Dc／AC逆變。除太陽能光電轉換板之外，對功率半導體的需求也將成為眾多半導體廠商的一個重大機遇。眾所周知，從太陽能光電板出來的直流電需要轉換成穩壓恒頻的交流電，才能給不同的家用或工業負載供電或與注入電網。這個轉換過程將由各種電力電子變換器完成，其中心目標是高效率，高可靠性，經濟的實現電能變換。太陽能變換對功率半導體的需求是多層次的，體現在器件，電路與系統諸方面。