滿足節(jié)能、環(huán)保設計的半導體解決方案

滿足節(jié)能、環(huán)保設計的半導體解決方案

環(huán)保設計指令發(fā)展背景
2005年7月6日，歐盟主席簽署了EU指令2005/32/EU (環(huán)保設計指令)，對能源使用產(chǎn)品(Energy using Products, EuP)的環(huán)保設計要求制定了框架。

歐盟要求各成員國必須把該環(huán)保設計指令轉(zhuǎn)化為本國法令、規(guī)范和管理規(guī)定，并加以實施。例如，德國便于2008年3月7日頒布了EbPG(Energiebetriebenen Produkte Gesetz, 能源使用產(chǎn)品法)法令。

第一個重要問題是：這項指令的宗旨何在？

該指令中詳細描述主要目標如下：

1. 實現(xiàn)各成員國法令之間的協(xié)調(diào)一致性，以確保能源使用產(chǎn)品在歐盟市場的自由流通。

2. 不斷減少EuP對環(huán)境的影響。

3. 優(yōu)化產(chǎn)品的環(huán)保性能，同時保持其功能質(zhì)量。

4. 提高能效，減少溫室氣體的排放。

5. 產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)造成的環(huán)境污染問題大部分都可以在設計階段得到解決，故應該在設計階段采取各種環(huán)保設計行動。

6. 建立環(huán)保設計要求框架。

7. 把產(chǎn)品的潛在環(huán)境影響降至最低。

除此之外，指令第3條(推出市場和/或投入服務)規(guī)定，各成員國需采取一切有效措施，以確保只有通過相關(guān)評估并加貼CE標識的EuP才能推出市場。不遵從規(guī)范將招致處罰，同時，相關(guān)產(chǎn)品必須撤出市場。

2007年11月22日，第一項工作計劃準備的首個研究完成——《關(guān)于準備環(huán)保設計指令的第一項工作計劃的研究》。這份長達426頁的研究報告履行了指令第16條的內(nèi)容，旨在列出最先納入實施范圍的能源使用產(chǎn)品清單。指令將首先處理這些產(chǎn)品。

研究確定600項產(chǎn)品納入環(huán)保設計指令的范圍，并定義出57個產(chǎn)品類別，其中34類最先實施。

這34類最先實施的產(chǎn)品進一步劃分為優(yōu)先級A產(chǎn)品(25類產(chǎn)品)和優(yōu)先級B產(chǎn)品(9類產(chǎn)品)。

針對表1所列產(chǎn)品的先期研究、工作文檔或法規(guī)草案已準備就緒。其中兩種最終法規(guī)已形成。

表2所列產(chǎn)品種類的先期研究報告已經(jīng)完成。

變壓器、制冷設備、音頻視頻編輯設備的先期研究報告也已完成，但尚未指定類別編號。

法規(guī)草案在《歐盟公報》(Official Journal of the European Union)上發(fā)表后，將成為最終法規(guī)，并于20日之后在歐盟所有成員國正式生效。

有關(guān)機頂盒的規(guī)范和待機功耗規(guī)范也已生效。機頂盒規(guī)范與眾不同在于它同時規(guī)定了機頂盒的待機功耗和正常工作功耗。

待機功耗規(guī)范對產(chǎn)品生產(chǎn)商和半導體公司而言是一大挑戰(zhàn)。生產(chǎn)商將必須按照規(guī)范要求，在短時間內(nèi)迅速調(diào)整自己的產(chǎn)品，而半導體公司必須為開發(fā)人員提供創(chuàng)新性器件，以滿足以下要求：

在規(guī)范開始實行后一年，任何關(guān)斷模式下的功耗不得超過1W；再過4年后，任何關(guān)斷模式下，功耗不得超過0.5W，而若產(chǎn)品有重新激活操作模式或提供信息狀態(tài)顯示，功耗則不得超過1W。此外，產(chǎn)品須具有一項特別功能，能夠根據(jù)需要在盡可能短的時間內(nèi)把設備自動切換到待機、關(guān)斷模式或任何能夠滿足功耗要求的狀態(tài)。

可降低待機功耗和關(guān)斷模式功耗的半導體器件
為了滿足這些嚴苛的要求，飛兆半導體公司提供有廣泛的產(chǎn)品組合，這就是飛兆半導體功率開關(guān)(FPS)旗下的FSQ產(chǎn)品系列。該系列器件在產(chǎn)品正常工作期間可實現(xiàn)高效率，在待機模式下功耗極低。

這些功率開關(guān)采用谷底導通(valley-switching)技術(shù)，把主要的導通損耗降至最低，從而實現(xiàn)高效率。在導通期間，導通損耗與功率開關(guān)上的電壓成比例。此時，通過把開關(guān)上的電壓導通降至最小，即可盡量降低損耗，提高效率。

除了谷底導通技術(shù)之外，器件還采用了一種被稱為間歇模式（Burst-mode）的技術(shù)來盡量減小輕載條件下的功耗。

即使產(chǎn)品使用功耗0.5W的顯示器，仍然很容易實現(xiàn)低于1W的待機模式總體功耗。

圖1所示為帶反激式拓撲的FSQxxx電源的原理圖。

圖1 基于調(diào)節(jié)器FSQxxx的反激式電源的原理圖

要獲得谷底導通功能(準諧振)，必須有以下器件：R4、R5、R6、D6 和 C6 (參見圖1)。把這些電路與變壓器的輔助次級繞組以及調(diào)節(jié)器的同步引腳(Sync-Pin)相連接，就可以檢測谷底。利用一個固定程序，調(diào)節(jié)器能夠在漏極電壓谷底時對集成式功率開關(guān)進行切換。圖2所示為測得的電壓和電流波形示例。

圖2 谷底導通(紅色：漏源電壓；綠色：漏源電流)

這種間歇工作模式只是偶爾在輕載時切換調(diào)節(jié)器。在這種模式下，輸出電壓紋波稍高，但對于待機模式可以忽略不計。通常只有顯示器被連接以顯示待機模式。最簡單的例子是一個LED，或是遙控接收器。

圖3 間歇模式(從上到下)：輸出電壓VO、反饋引腳上電壓VFB、漏源電流IDS、漏源電壓VDS

表3列出了帶集成式谷底導通功能和間歇工作模式的功率調(diào)節(jié)器，這些器件適合于8～90W的輸出功率范圍(具體數(shù)字取決于輸入電壓范圍)。

表3 帶集成式谷底導通功能和間歇模式的FSQxxx系列

FSQ510和FSQ510H則是擁有特別功能的調(diào)節(jié)器(如表4所示)。它們只有間歇工作模式，并無谷底導通功能。利用這些器件，待機功耗可低至60mW。這些調(diào)節(jié)器專為9W的最大輸出功率而設計，由于這個功率范圍的導通損耗非常低，使用谷底導通不會帶來任何優(yōu)勢。

表4 具有集成式間歇模式和低待機功耗的FSQ510系列

滿足電動機和水泵、商用通風設備應用的驅(qū)動器件

這里將首先討論循環(huán)泵和通風系統(tǒng)這類產(chǎn)品，而同樣原理也可用于其他擁有類似要求的應用產(chǎn)品。

鑒于能效等多種原因，元件數(shù)量較少的緊湊型設計變得越來越重要。此外，壽命周期和可靠性等要求也扮演了重要的角色。

圖4所示為供熱系統(tǒng)中采用泵的原理圖，其目的在于把熱水里儲存的熱量快速高效地傳送到各個相連的散熱器中。

圖4 一座兩層住宅樓的供熱系統(tǒng)原理圖

供熱系統(tǒng)所需的水壓取決于產(chǎn)熱系統(tǒng)與散熱器之間的距離，以及必須克服的高度差距。因此，水壓必須單獨調(diào)節(jié)。在許多情況下，每一層會都連接一個單獨的泵。

以往是通過簡單的TRIAC控制來調(diào)節(jié)水壓(通常分三步)。

TRIAC控制只能用于通用式電動馬達，它的缺點是：總諧波失真(THD)較高、輸入功耗高、調(diào)節(jié)效率低。
而利用與現(xiàn)代BLDC(無刷直流)電動機相連并基于智能逆變器的驅(qū)動器，可以提高效率(能源節(jié)省高達70%)，還能實現(xiàn)對供熱系統(tǒng)的高效智能控制，并減少天然能源消耗和溫室氣體排放。

隨著供熱和熱水系統(tǒng)對替代能源需求的增加，又出現(xiàn)了太陽能和熱泵應用。這些應用的要求與供熱應用中采用的循環(huán)泵非常相似。要經(jīng)由媒介(水或液壓油)傳送熱量，高效控制“壓力”值始終是十分重要的。類似情況也適用于空調(diào)，即便我們談到更高功率級時亦然。在各種能效規(guī)范和政府限令的推動之下，開發(fā)和使用基于逆變器的解決方案是大勢所趨。

飛兆半導體提供的智能功率模塊(SPM)產(chǎn)品系列專門針對高至120W的功率范圍而設計，并備有TinySMD和TinyDIP封裝，能夠以極小的占位面積取代9個分立式器件。圖5所示為一個采用TinyDIP模塊的典型逆變器應用的原理示意圖。要開發(fā)空間優(yōu)化的印制電路板，除了該模塊外便只需很少外部元件(包括一個微控制器)。

圖5 典型的逆變器應用

環(huán)保設計指令考慮到前面討論過的壽命周期等因素。TinyDIP和TinySMD模塊都是經(jīng)過預先測試和優(yōu)化的子系統(tǒng)，因而降低了FIT率(故障率)，增強了整體系統(tǒng)的可靠性，最終加速設計進程，加快上市速度，并有助于實現(xiàn)比分立式解決方案更小的占位空間。

除家庭住宅外，辦公建筑、工廠以至學校和醫(yī)院等公共建筑也需要供熱和通風系統(tǒng)。

對于目前的現(xiàn)代建筑物管理，單獨的、無級別的調(diào)節(jié)與控制是常見要求。這類環(huán)境使用的設備的功率范圍在100W～kW之間。

大型設備無疑會產(chǎn)生更多的不利影響，比如增加能耗和總諧波失真等。而這又會影響其他設備的運作性能，如IT基礎設施。

飛兆半導體為更高的額定功率提供了相應的功率模塊組合。由于較高功率級通常需要散熱器，這些模塊提供了良好的散熱器連接性能，比小型TinyDIP和TinySMD模塊更適合于高功率級應用。

MiniDIP模塊備有三種不同版本，分別是完全模塑MiniDIP模塊、陶瓷MiniDIP模塊和DBC MiniDIP模塊。三種版本彼此引腳兼容，主要差異在于與散熱器的熱連接方式，以及相應的安裝面積。

DIP模塊有兩種版本，即陶瓷DIP模塊和DBC DIP模塊。

MiniDIP模塊 和DIP模塊的DBC版本如圖6、7所示。圖8比較了陶瓷DIP模塊和DBC DIP模塊的橫截面差異。
圖8中，半導體元件用藍色標注，鍵合連接用黑色標注，引腳框架為淡灰色。

圖6 MiniDIP模塊(DBC)

圖7 DIP模塊(DBC)

圖8 DIP模塊的橫截面，上圖為DBC版本，下圖為陶瓷版本

不論模塊屬于上述哪種類型，其內(nèi)部驅(qū)動器件都直接焊接在引腳框架上(圖左邊)。

在陶瓷類型中，功率器件也直接焊接在引腳框架上，而引腳框架則黏結(jié)在陶瓷上。利用陶瓷可實現(xiàn)2.5kV的隔離電壓，以及與散熱器良好的熱連接性。

DBC就是兩面覆銅的陶瓷基板，而模塊外面的銅區(qū)域是均質(zhì)的。功率器件焊接在銅區(qū)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，類似于PCB。兩個銅區(qū)域可提供相當于熱擴散片的功能，因此熱阻抗相比基于陶瓷的解決方案更低。這種技術(shù)也可提供2.5kV的隔離能力。

總結(jié)
實施環(huán)保設計指令及其相關(guān)法規(guī)是實現(xiàn)高能效應用的重要方法。這些指令和法規(guī)給半導體供應商帶來了重要的商機，推動其開發(fā)高集成度高能效的解決方案，以滿足這些法規(guī)的各項要求。