?
歷史發展進入現代工業社會后，能源已經成為人類文明進步的首要推動力。伴隨著最近20年全球經濟的穩定發展，全球能源消耗總量更是一直在持續攀升。2007年全球能源消耗保持強勁，主要能源消耗比上一年增長了2.4%，這一數字僅比2006年的2.7%略低。消費增長最大的是亞太地區，中國增加了7.7%，這已是2002年以來最低漲幅，而國際能源組織（IEA）甚至預言中國將在2010年之前取代美國成為耗電量最大的國家。根據國際能源年鑒的預測，2010年的世界能源消耗市場將達到511千兆BTU（英制熱量單位，1 BTU約等于1055焦耳），2030年增加到702千兆BTU，比當前的能耗需求增加了一半還多。
?
隨著大量能源被消耗掉，尤其是不可再生能源，接踵而來的是日益凸現的能源危機和環境保護問題。在我們努力開發風能、太陽能這些替代能源的同時，還必須尋找新的途徑，力求以更少的能源消耗完成更多的任務，并且改善溫室效應導致的環境惡化。
?
集成電路被寄予了厚望。隨著過去半個世紀的技術創新，特別是在微電子領域，能源的利用已經成為生產力以及世界各地人民生活水平提高的主要推動力。半導體技術的持續進步對家庭，工廠和運輸系統的能源使用效率，以及可再生能源使用效率的提高做出了巨大貢獻。采用先進節能技術的芯片在工作時可以發揮更高的效率。在系統處于待機狀態時，又可減少系統的功耗，兩方面都對較少排放溫室氣體有很大的貢獻。部分電子產品甚至可利用感測功能應對供電系統的突然變化，靈活調整操作避開高峰用電時段。例如，部分電熱水爐的家電產品設有時延功能，可將正常操作延遲至高峰時段之后。
?
圖1 主要的電能消耗
圖2目前的能效評級
?
事實上，電能的流動過程就像一條鏈條，從電源的產生，到電源的輸送，再最終到各種不同的電能消費。每個環節都有功率變換器，每次功率變換就意味著能源損耗。為了把損耗降到最低，必須在各種不同的化解采用不同的器件和芯片。據統計，在我們采用電力設備將初始的能源材料成為電能后，51%電能消耗在電機驅動上，照明占據了19%的電能，加熱和制冷以及IT應用的電力消耗分別有16%和14%。
?
“每一個分類應用都有很大的節能空間。”Fairchild中國及東南亞地區銷售副總裁陳坤和告訴記者：“如果把所有的單相AC電機換成可變速電機，可節省多達40%的電量；采用高效率的開關電源能帶來35%的電能節省；用CFL照明代替白熾燈泡，單單照明應用就可減少75%的電能，如果進一步使用LED帶來的能效會更高?！?BR>
電機驅動：邁向電子控制
?
全球一半的電力消耗是用于電機驅動，由電機驅動的電器遍布于生活的每一個角落，例如，空調、洗衣機、電梯、電動自行車、跑步機等等。因此，效率低下的電機帶來極大的電量浪費，根據EPRI、 ACEEE 、IMS research多家機構的綜合估算，每年約有73億美元的電能因為低驅動效率而浪費掉。
?
隨著美國、歐盟和中國等主要市場對能效規范越來越嚴格以及能源價格上升帶來的市場壓力，采用高效的電子控制" title="電子控制">電子控制電機已經勢在必行。在韓國，如果100萬臺40hp的電機轉為采用高效能電機，每年總體電能消耗將下降2%。因為，從非逆變器交流驅動轉用逆變控制驅動能夠提高20%的能效，而由逆變器驅動的無刷電機（BLDC）可節能多到40%。
?
電機控制" title="電機控制">電機控制電子化優勢很多。據陳坤和介紹，因為無刷直流及開關磁阻電機需要電子控制來產生轉矩，而變頻控制讓交流感應電機可以變速運作。此外，許多應用都要求對所控制的過程中的一個或者多個參數進行專門控制，例如卷揚系統（Winding System）中可能使用恒力矩來提供張力，這就要求精確的速度、轉矩和功率控制，這些只有采用電子控制才能帶來。而且，電子控制可讓交流感應、無刷直流、以及開關電磁阻電機進行動態微調，以滿足不斷增長的電機應用需求，并提供更高的效率。而如果采用功率因素校正（PFC）技術，電子控制就能夠從電力線路獲取能量，減少電網的負擔。
?
陳坤和介紹了Fairchild的一款200W無刷直流電機產品FalconEye，因為采用了PFC技術功率因數超過了95%，功率級（power stage）使用了Motion-SPM（智能功率模塊）從而簡化設計降低BOM成本。電源采用的是綠色FPS和光隔離誤差放大器，整流器是600V的IGBT。
空調：從感應電機轉向永磁電機
?
2008年中國空調機的出貨量預計是6000萬臺，而到2011年將接近7000萬臺，其中只有500萬臺是變頻空調，不到10%。因此作為電機控制的典型應用，空調的節能空間非常大。表1是中國和歐洲空調機的能效標準對比。中國新的能效標準將在2009年3月份實施，原來計劃是1月份。能效標準會從入門級5級2.6升到2級3.2。變頻空調能效比的標準也在制定中，很快會實施。據IR中國應用中心高級經理李明透露，變頻空調能效比應該是3.0，3級是3.9。
?
表1 空調機的能效標準：中國和歐洲的對比
雖然空調是屬于制冷，但全部都是靠壓縮機、電機來實現的。如果從感應電機轉為永磁電機" title="永磁電機">永磁電機，采用內線磁棒式的永磁電機，電能損耗可以從13%降到4.8%。另外還可以采用永磁電機控制系統和永磁電機調速。IR的iMotion永磁電機控制綜合平臺是一個永磁電機調速平臺，它集成了數字控制器、模擬接口和功率半導體，并且通過固件、算法和軟件工具對家用電器中的永磁同步電動機（PMSM）進行無傳感器變速電動機控制。iMotion平臺可以用于空調室外機的壓縮機和風機的控制，兩臺電動機用無傳感器PM正弦波控制；由于采用先進的控制算法" title="控制算法">控制算法，可以使用單轉子壓縮機。
圖3 IR的iMotion永磁電機控制綜合設計平臺
??? 作為iMotion平臺的核心只能電機控制芯片組，IRMCK300系列包含2個重要的組成部分，MCE和一個8位MCU組成的混合型控制IC。電動機控制引擎（MCE）針對永磁電機傳感器的控制算法，預先寫好控制算法，以硬件的方式實現無傳感器永磁電動機控制和功率因數校正控制。空調控制系統由三部分組成，一個是60MIPS的8051 8位MCU；一個運動控制引擎（MCE），是一個可配置控制電路模塊；還有一個模擬信號引擎（ASE）包括信號處理和12位的ADC。運動控制引擎完全是一個模塊式的芯片，要組成一個控制算法的時候，只需要把其中提供的功能塊通過IR提供的工具連接起來就可以。例如，PI調節器，濾波器，可以通過軟件工具連成希望達成的控制算法，不需編寫底層軟件。
隨著政府對空調能耗的規范越來越嚴格，在今后兩年，空調機的COP（制冷機的性能系數）將提高到3.4，在今后五年COP系數將可能超過5。按照3500瓦的制冷量計算，如果變頻空調和定頻空調的COP提升到5.5，使用空調的家庭一年500小時可以節省240元人民幣。以2008年中國6000萬臺的空調機生產量為例，一年的節電量，可以在240億度電，相當于可以少建24個10億度電發電規模的電廠。
?
改善電源芯片效能：做的還不夠
?
在電機控制、電源和照明三大應用中，電源的節能效率應該是最高的，從過去的低于60%一直增長到今后的遠遠超過90%，但是依然還有很多可以改善的細節。另外一個趨勢是，系統的小型化使得整個系統變得越來越小，英飛凌高級技術總監里歐.勞倫斯博士認為，到2010年，電源系統將會只有現在的20%大小，再過十年，還將降低5倍。
?
圖4紅框中的部分是可以利用新的元件提升整體系統的效能
?
至于如何改善電源的能效，ON Semiconductor汽車及電源管理產品部全球銷售及市場總監鄭兆雄認為可以從三點入手，一是功率因數校正（PFC）能效，其次是主轉換器的效率，最后是次級整流的效率。圖4紅框中的部分是可以利用新的元件提升整體系統的效能。
?
改善PFC的改善目標是實現96%的功率因數。可以采用無橋PFC減少橋損耗，在高功率應用中使用交錯使PFC，或者采用IC技術較少開關損耗，采用更好的拓撲結構較少EMI濾波器損耗。另外，像英飛凌在PFC的高壓MOSFET和二極管制造工藝方面采用了CoolMOS，節能潛力可以達到2%～3%。主轉換器段的節能潛力也可達到1%～2%，其設計考量包括：采用降低導通阻抗或者減小初級峰值電流和均方根電流來降低初級導電損耗；用軟開關技術降低開關損耗；用低正向壓降二極管或FET整流器，減少整流器壓降，從而降低次級損耗；采用更好的磁芯材料降低磁芯損耗，等等。此外，用次級整流同步降壓轉換器和DC-DC軟開關技術可以進一步提升次級整流方案的3%～4%的效率。
?
而在電源管理芯片方面，未來一代的產品應該有靈活應變的特色，可以應對負載的變化迅速調整功能。例如，中央處理器若無需要以最高平率工作，可以調低其時鐘頻率減少功耗。此外，時鐘頻率一旦下調，供電電壓也應隨之下調，有助于進一步減少功耗。最新的集成電路設計更特別為中央處理器、數字信號處理器、ASIC等耗電量較大的內核分別提供獨立而又可以加以設定的輸出電壓。內核附近的傳感器負責判斷內核所需的最低工作電壓。無論采用最高還是最低功率，又或是待機工作模式，未來一代的電源管理芯片都應該發揮最高的轉換效率。
?
以平板電視為例，它已經成為四大高能耗家用電器之一，各個國家都在節能和環保方面建立了相應標準，比如將于2008年11月生效的美國“能源之星”電視產品3.0規范。這些標準引入以引導消費者使用更加節能的產品，同時對產品的進入提高了技術門檻。
?
表2 美國“能源之星”電視產品3.0規范將于2008年11月生效
?
平板電視的節能設計主要在體現在兩個方面，電源和整機設計，而降低待機功耗是電源設計的重要話題。美國加州的監管機構規定新產品不能超過規定標準，國際相關組織也有非強制性的產品標簽規定，但大致上待機功耗規定必須在0.3W～3W之間。對于可以利用遙控功能喚醒的電視機及電子消費產品，點擊功耗甚至可以低至0.1W。
?
據海信電器有限公司副總裁戰嘉瑾介紹，海信現在設計的待機功耗，保證在50W的負載條件下，輸入功率小于100mW。同時采用專用的待機電源和待機MCU，最大限度的降低待機功耗。
?
至于降低開機狀態下的能耗，戰嘉瑾介紹說海信的方法是提高傳統單電源方式的轉換效率。目前線型的電源轉換效率，一般在82%左右。海信在2005年開始把電源方案改成雙正機的方案，可以提高效率到87%。2007年用LLC諧振變換器的方案，轉換效率可以達到90%。以200W的液晶電視為例，效率提高8%意味著單臺整機可以節省16W的電量。
?
移動設備：凝聚在其中的電源管理智慧
?
快速增長的個人移動設備是近年來牽動IC市場發展的引擎，為了延長電池的使用壽命，不僅要求IC本身低功耗，更需要在顯示、LED驅動、音頻等方面（如圖5）進行電源管理；同時，還要求IC體積小巧、集成更多功能；并提供各種不同設計工具及相關資源，以加快整個設計過程。
??? 例如，美國國家半導體（NS公司）把其專利的PowerWise電源管理技術用于各種芯片中。
圖5 NS的PowerWise移動系統解決方案
?
MPL 在移動設備的顯示屏方面,MPL（移動像素鏈路）可以降低鏈路地功耗，方法是把并行信號變成高速串行信號，這樣便可采用更小巧的連接器及柔性PCB（印制電路板），好處是可以減少電磁干擾和功耗，并使最終產品小巧纖薄。
?
LED驅動器 PowerWise燈光管理解決方案中，NS推出了創新的LED RGB（紅/綠/藍）驅動器。目前手機主要是白光背光的。白光背光不是純白，這是因為白光LED的光譜分布與LCD的彩色濾波器不能互相配合，而RGB LED的光譜與LCD的可配合，因而不會濾除任何光線，可以達到100%色域，可以讓圖像更加明亮。而且白光驅動有較高的能耗；但用RGB背光，并加上濾波器，用戶能達到良好的顏色效果。諸如NS的LP5520 RGB LED背光系統可以取保顯示其的畫面色彩亮麗，而且功耗更少。
?
圖6 白光LED的光譜及LCD的彩色濾波器
?
音頻 音頻部分涉及Boomer D類放大器，裝飾燈驅動器、音頻子系統、遠場噪音抑制技術等。NS的采用遠場噪音抑制技術的模擬音頻麥克風陣列芯片，其耗電比采用數字處理器的數字方案少90%，而且語音清晰度完全不受影響。?
?
延長電池壽命 長時間打電話手機會發燙，其原因是PA（功放）工作時間較長。為什么工作長時間會發燙呢？現在的手機基本供電是從電池來的，無論手機距離電池多近，都是同樣的效果。NS的自適應射頻（RF）功率芯片可以測到信號的強弱，然后通過SuPA控制PA的電源，以此延長電池的壽命。
?
PowerWise AVS（自適應電壓調節）技術的功耗比同類數字系統解決方案少64%。它可以放在SoC里面，以監控閉環電路的性能，可以因應不同的系統負載靈活做出調整。
結語
?
目前，我們正面對兩大危機：一是電力供應趨于不穩定，另外溫室效應對環境的影響能夠越來越大。為了化解危機，世界各國都在制訂新的監管法案，規定新的電子產品必須符合環保法例。汽車是首當其沖的一個，為了控制尾氣排放，很多機械的部件將為別電子器件取代，歐.勞倫斯博士指出，現在超過70%的汽車的創新都是通過功率電子來實現的，主要的目標是為了降低燃料的消耗，增加能效，并且控制尾氣排放。
?
針對電力供應負荷的問題，遭遇過幾次大停電的美國政府也在考慮家電產品是否應該加入特別的感測功能，以確定供電系統是否已超負荷。系統設計工程師應該具有前瞻的眼光，將這類產品付諸于實際設計中。
?