提升能效,让整个世界微笑

　　摘要：面对越来越严格的能效等级，电源产品面临着全新的技术需求挑战，未来几年，电源半导体企业需要满足更为严格的电源设计需求。

　　大家都在谈绿色低碳，谈节能减排，谈保护环境，在清洁能源与可再生能源价格依然居高不下，以及其应用总是受各种制约的前提下，最直接的实现节能降耗又不影响消费者用户体验的办法还是提升电源的能源转换效率。

　　从输电网络的交流电，到用电终端的各种直流驱动设备工作，随着消费电子产品逐渐取代工业产品成为能源消耗的主力，提升消费电子的能源转换效率，以此尽可能降低不必要的能源转换效率，是最直接有效，也是最简单的节能降耗的办法。

　　政府一向是推进电源效率要求的规则制定者，金牌电源由美国80PLUS政府机构定义和认证,只有达到该认正标准的才能在美国销售。其中金牌的标准要求PFC+PWM的效率>90%，银牌要求>88%，铜牌要>85%，而至少>80%才能算合格的电源。现在更新的电源标准已经出台，分别是>92%的白金牌电源和更为苛刻的>94%的钛金牌电源标准。

　　白金牌电源标准的要求具体包括：AC-DC 从PFC到DC输出转换效率达到92%;待机功耗低于0.15W;高的功率密度，小的体积(300W/立方英寸);以及高的可靠性，平均无故障工作时间〉5000小时。钛金牌电源具体要求是：AC-DC从PFC到DC输出转换效率达到94%; 待机功耗低于50mW, 即低于0.05W;更高的功率密度，更小的体积;更高的可靠性，平均无故障工作时间要达到一万小时。

　　从节约能源及环境保护的要求，必须设计、制造最高效率的开关电源变换器。对于AC-DC，其效率要达到金牌标准，就必须达到90%以上。对于DC-DC，其效率要达到金牌标准，就必须达到95%以上。而绿色电源的定义，空载功率损耗<0.3W，电磁干扰EMI达到国际标准，生产工艺为无铅作业无污染作业。研读这两个最新的标准具体需求，转换效率和待机功耗是其中非常重要的两个量化指标，而要满足这两个数字指标的要求，对电源设计者及半导体厂商提出了严格的技术要求。

　　新能效提出新挑战

　　对于白金和钛金牌系统，会有两个“较新”的要求：(1)在现有负载点(20%、50%和100%)下具有更高的效率标准;(2)新的10%负载点下最低工作效率要求。为了满足这些标准的要求，必需考虑电源控制技术以及半导体元件。

　　要获得更高的效率，便必需考虑结合LLC谐振半桥等谐振模式控制技术，以及次级端同步整流技术。在负载范围内不同控制技术的效率曲线也不相同。例如：双管反激式解决方案的平均效率高于LLC谐振半桥方案(后者在满负载条件下具有出色的效率)。更高的平均效率意味着在所有负载点下更容易满足最小值标准要求。此外，必需考虑使用超级结MOSFET等具有低导通阻抗的半导体元件来降低开关损耗。最后，仍然需要使用开关电源(SMPS)专有技术，最大限度地提高给定设计的效率。

　　面对越来越严格的能效等级，电源半导体产品面临着全新的技术需求挑战，未来几年，面对越来越严格的能效等级，新能源、照明、电信、智能电网、智能家电等市场都具有巨大的增长空间，智能化电源将会受到越来越多的青睐。另外，严格的能效等级也会促进电源管理产品向高效、节能、环保的方向发展。如何提高系统电源的效率是市场所关心的问题之一，注重满载效率的同时，轻载效率，静态功耗也成为设计人员的关注点。

　　安森美半导体电源市场全球销售及营销高级总监郑兆雄总结电源半导体产品的主体发展趋势体现在以下方面。

　　1 高能效：提高从满负载到待机(空载)等完整负载范围内的能效，且要提升散热性能。

　　2 减小尺寸及提升功率密度：利用优化的开关拓扑结构设计更小电源、提高集成度、降低物料单(BOM)元件数量及成本。

　　3 全球法规及能效标准更趋严格：要确保方案符合规范要求，配合功率因数校正(PFC)及待机能耗要求。

　　电源管理与功率半导体是改善能效中非常重要的两个部分。在日常生活中，功率半导体应用于从移动通信到航天电子的广泛电子应用之中。最普遍的功率应用是转换、管理和分配。这些应用的基本子系统包括AC-DC、DC-DC和DC-AC，所有三种子系统的主要发展推动力量是采用性能更高的开关和控制电路。发展趋势是在系统加入更多的功率电子内容，以便提供各种功能如更便捷的显示(用于消费电子产品的LED显示)、通信(联网)，以及系统监控和保护。为了迎合系统发展趋势，功率半导体供应商正在推出具有高能效水平、高集成度和多电源轨的器件。　　

           

　　在功率分立器件方面，MOSFET正在从平面技术转向Super Junction (电荷平衡)技术，以期改善导通状态电阻率(Rds(on))并实现快速开关。至于IGBT技术，则应用沟槽技术来减小片上横向隔离结构的尺寸，有助于减小芯片面积，同时保持性能。据报道，功率分立器件供应商几乎达到了基底材料，硅材料的极限。因而，新材料半导体器件预计将会替代传统的硅半导体器件。宽能带隙(WBG)半导体器件如SiC和GaN开关正在涌现，这些器件采用高成本效益的工艺技术来达到规模经济效益，从而保障大批量生产率。大规模推出WBG半导体的速度取决于市场的需求。市场对高效率、高密度和高温度应用器件的需求不断增长，推动功率半导体供应商以较预期更快的速度投入WBG半导体产品的竞争之中。

　　即便市场需要更高效的产品，功率半导体客户也仍然需要提升价值。例如，进一步改进大多数广泛使用的硅器件，比如IGBT需要降低Vceon的来减少功率损耗，缩小芯片面积来降低成本，以及利用创新的芯片贴装技术来扩大温度范围并提高可靠性，这些都是今天的市场所需要的。美高森美功率产品部门战略业务发展总监Keith Westrum介绍，他们和客户正在探索使用更高的工作频率来减少实物的尺寸和降低其产品的总体成本。