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。