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。 关键词：电源半导体；能效等级；电源设计；节能
DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.11.001
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ACDC、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。 飞兆半导体中国区销售总监王剑介绍，功率管理IC用于多种消费产品和计算应用的各种功率转换和分配电路中，包括手机、汽车电子和工业等应用。近期，人们将功率管理IC嵌入在超便携设备、手机和膝上型电脑的智能功率管理IC中，这项集成是通过改进制造工艺和设计技术来实现的。功率管理IC的另一项功能是照明管理。最近推出的高效率白光LED为消费产品、计算产品和手机提供了新型照明单元，可以实现从简单的功率管理到调光、智能驱动、接口和保护功能的多种功能(如OTP、OVP、OCP、反向电池电流保护等)。
谈及挑战，国际整流器公司亚太区销售副总裁潘大伟看到，受气候变化、能源安全与成本、全球经济发展和人口增长等问题的影响，大众关心的焦点转移到了能效上。尤其是在家用电器市场内，新法规、标签计划和对更高性能的需求促使制造商利用永磁变速驱动器取代采用AC感应或者有刷DC电机的机电驱动系统。然而，电子控制单元的设计很复杂，并且涉及3个方面 - 数字、模拟和功率级。同时，设计者必须以较低的成本为大批量电器市场实现高性能。
注重系统级的电源设计
从市场角度来看，消费者期望更高的系统效率。这意味着对整机轻载和待机功耗的关注度越来越高，也更加注重系统级电源管理。Maxim战略市场应用经理Jon Day表示，在现有半导体技术基础上，芯片本身的效率仍在增长，但增幅较缓。而对效率的大幅提升需要依靠电源子系统的远端控制。使得用户可以针对整体的系统负载进行优化，设计出尺寸越来越小、效率越来越高的电源。
ADI公司电源管理部门市场工程师张洁萍补充了另外一些变化，电源管理技术供应商已不仅仅局限在电源技术本身，同时更多地关注系统信号链的把握和系统的应用。在系统的角度，通过器件带有的特性提升整体工作效率。比如,电源器件通过检测系统的工作状态，如动态的调节输出电压来达到效率优化的目的。另外，随着系统容量的不断扩充及空间的考量，电源的通道数有所增加，电源器件通过检测输出功率，调节输出通道的开通与关断来达到提升系统效率的目的。从工艺角度来看，功率器件工艺的改进是提高效率的关键。
电源产品制造商面临的两大挑战也许是：在产品寿命期内降低系统的总体拥有成本；就功耗而言使系统更经济，即提高工作效率以使系统更“绿色”。 凌力尔特电源产品部产品市场总监Tony Armstrong介绍，尽管电源管理对新式电子系统的可靠工作至关重要，但是在今天的系统中，稳压器也许是仍然存在的最后“盲点”之一，人们没有办法直接配置或监视关键电源系统工作参数。因此，电源设计师一直被迫使用一大堆混在在一起的排序器、微控制器和电压监察器，以设定基本稳压器的启动和安全功能。数字可编程 DC/DC 转换器已经上市很多年了，特别是具备 VID输出电压控制的 VRM 内核电源。不过，直接从稳压器监视工作状态信息的能力一直缺失，尤其是直接监视实时电流的能力。
使用标准串行数字总线 (例如I2C) 可与数字 DC/DC 转换器实现简单和高效率的通信，PMBus 等新出现的标准方便了组件互操作性的实现。重要的稳压器参数 (包括启动特性和定时、输出电压和电流限制、裕度调节规格、以及过压和欠压监控限制)都能以数字方式直接设定，而不用电阻器和耗费空间的排序及监视产品来设定。此外，诸如温度以及输入和输出电压及电流等关键工作参数可以得到常规监视，并用来优化系统性能和可靠性。
Tony Armstrong特别强调，系统设计师需要克服的一个重大障碍是，器件处于低功率或备用模式时的功耗，因为这时仍然从电池或电源插座吸取电流。因此，自上世纪 90 年代早期开始，凌力尔特一直生产同时具备高效率转换和低静态电流的电源管理 IC。通过采用新的设计方法，以在电源管理和转换 IC 中，在负载电流很大时实现高效率转换，我们可以应对这一挑战。同时，当这些 IC 置于备用或停机模式时，很多新的电源转换产品也具备了较低的静态电流，以便设计师能非常容易地发现合适的产品，以使其最终系统能更加环保。
便携电源设计挑战
便携产品本来就是对电源管理非常苛刻的行业，随着便携设备越来越普及，对便携设备的电源设计能效要求也越来越强烈，并成为电源设计的主战场。
便携式产品集成的功能越来越多，集功能娱乐于一体。对于便携电源产品，由于空间的限制，要求芯片级产品具有更小的体积，更高的集成度，更少的外围器件。这就意味着电源管理IC要应对电池使用时间、高集成性、可靠性、外形因子以及成本等方面的挑战。而目前，张洁萍认为便携式移动设备的电源管理系统还是存在一些技术上的难题，主要体现在：
1. 电源管理系统中最根本的问题：如何提高电源效率。
2. 平衡效率与尺寸：提高频率可以使用较小的电感，这样可以有效的减少PCB面积。但提高频率的同时，也会降低系统的效率，所以在工作频率和PCB面积间需要找到一个合理的平衡点。
3. RF和音频线路则要求电源管理系统具有更低的噪音和更高的隔离。
就便携式产品的设计而言，除了上面所列的存在很多系统设计师必须克服的关键问题。Tony Armstrong认为还有一个最重要的问题是怎样让热量从设备中散发出来，因为这类设备没有风扇用来实现冷却。因此，这类产品内部使用的电源转换 IC 必须是热效率非常高的，因为电源转换效率欠佳会产生热量。这种热量是在能量传递过程中于稳压器中损失的功率产生的。此外，在很多便携式设备内部，用于实现冷却的空气流动有限，散热器也受到限制，因为这类产品本身的尺寸和可用空间有限。这导致在小型、紧凑的外形中，装入的是密集排列的印刷电路板。因此，将热量排出产品的途径有限。这种热量就等于工作环境温度的上升，这又可能对产品的可靠性产生不利影响。
DC/DC 转换器的转换效率可以按照输出功率除以输入功率计算，或者换一种方式，按照负载功率除以输入功率计算。在电源转换过程中产生热量所导致的结果是，系统设计师必须仔细考虑应该使用什么类型的稳压器。因此，在很多制造商中出现的一种常见的趋势是，采用开关稳压器而不是更简单的线性低压差稳压器，因为开关稳压器可以更高的效率工作。 在几乎任何类型的电池供电便携式设备中都需要多个电压轨，这种情况非常常见。这些轨包括多个微处理器轨和大量特别功能电压轨。因此，对提供必要功率的电池需求已经极大地增加了。不过，电池的外形尺寸一直保持相对较小，而且功率密度仅实现了适度增加。结果，在几乎任何手持便携式设备中，电池运行时间和良好的热量管理都成为了非常重要的卖点。这导致需要非常紧凑和高效率的多输出同步降压型转换器。
同步降压型转换器与传统线性稳压器相比，已经在电池运行时间上有了极大改进。此外，这类转换器提供 96% 左右的效率，几乎无需任何散热器。因此，就电源转换 IC 而言，Tony Armstrong看到的一个日益增强的趋势是，提供多输出器件，例如 6 到 8 个通道，而且所有通道都是同步降压型转换器，以在很宽的电流范围内实现高效率转换，同时以高于2MHz 的开关频率工作，以保持尽可能小的外部组件尺寸和解决方案占板面积。
便携设备集成的功能越来越多，功耗也越来越高，而电池容量及技术的进展仍然缓慢。郑兆雄强调，便携设备设计人员必须适应这种结合许多功能的高集成度趋势，提供足够长的电池使用时间，同时配合消费者对纤薄外形的需求。为了应对这些挑战，可行策略是在选择集成多种功能的主芯片组，同时选用高集成度的电源管理集成电路 (PMIC)，帮助简化设计，使控制电源所需的资源减至最少，并将外形因子保持在可控范围之内。虽然高集成度PMIC的应用日益增多，但随着便携产品功能不断增多，集成度相对较低的电源转换IC的需求也增加了，以此配合增加新功能。
新的竞争需求
电源半导体是个技术发展相对平稳的行业，新技术的出现并不多，但是在更高能效需求驱动下，如何帮助客户应用新技术更快更高效进行电源设计，就成为电源半导体厂商竞争的焦点。
绿色、环保、节能一直是这几年电源动力系统技术创新的重点。随着绿色技术在各行业的不断渗透，新的行业标准也在推动产品升级。照明、电信、智能电网、智能家电等领域同样具有巨大的增长空间，也是电源厂商重点关注的方向。节能主要体现在电源产品本身的节能和整体机房节能，而“绿色”主要体现在提高整机效率、减少对电网的干扰以及节省空间、节约成本等方面。另外，模块化电源、网络化电源等也是目前的关注焦点。模块化电源，除了能提高电源供应的可靠性，企业自身还可根据用电负载选配模块。因此，厂商们如果想要在激烈的市场竞争中保持甚至提高市场占有率，持续技术和产品创新是重中之重。
面对这个问题，郑兆雄认为，电源设计相关的新技术包括两方面，一方面，可以采用创新的电源架构来优化电源在完整负载范围内的能效；另一方面，可以细致分析电源各个可能的功率损耗来源，采取针对性的措施来减小功率损耗，进而提升能效，并配合减小尺寸及提升功率密度。例如，当今的电源设计人员不仅要提供更高的满载及典型负载工作能效，也要优化电源在轻载条件下的能效，从而在完整负载范围内均能提供优异的高能效性能。
王剑介绍，飞兆半导体的业务重点仍然是能效及移动连接性的主要应用和市场。一直是追求功率密度领导地位，Dual Cool新型功率专用封装技术，以满足电子产品设计对更高效热管理的不断攀升的严苛要求。该技术通过在封装顶部增加一个散热块，在垂直MOSFET裸片结构的漏极和源极形成一条直接散热路径。利用这种结构，除了到印制电路板的直接传导路径之外，还能利用一个散热系统在封装顶部实现额外的冷却。
最近，为了提升效率和控制性能，许多马达控制应用已经采用了逆变器解决方案。即便在家用电器领域，BLDC逆变器解决方案正在普及。不过，关键问题是如何提高这些解决方案的成本效益和可靠性，许多功率器件供应商针对这一市场推出分立器件或模块解决方案。制造商喜好使用模块解决方案，因为相比分立解决方案，模块解决方案具有数项优势。首先，模块方案有助于提高系统的可靠性和效率。许多成套设备开发人员在设计功率部件和栅极驱动电路时遇到了困难，因其布局周边是非常敏感的。而模块解决方案在设计中考虑了这些因素，以期减小杂散电阻/电感并优化开关特性，这可以通过优化硅晶片安排及缩短引线粘接长度来实现。
近年来，由于越来越需要高能效应用，所以电源管理迅速提到设计日程上来，成了工程师需要解决的首要问题。由于希望系统能够提供更多功能，所以多种终端设备的功率电平和电源密度要求在不断提高。这就要求电源管理解决方案能够以更小的解决方案尺寸提供更高的电和热效率，同时还要满足严格的法规要求和终端用户对更高能效的需求。潘大伟介绍，IR采取的战略包括构建更高效的功率半导体技术和产品与新封装解决方案，让用户无需提高成本即可提高应用效率。我们还提供用户轻松、快速评估和实现这些新电源管理技术所需的工具和工程支持。随着设计者和技术人员逐渐接近芯片的物理极限，进一步提升性能就变得越来越复杂，并且需要付出高昂的代价方可实现。某些情况下，为了提高系统的电源密度和减少能源浪费，同时缩小系统尺寸，降低复杂度和削减成本，需要新技术来构建元件，而其它情况下，则需要新材料。除了努力提高现有硅基电源器件的效率和集成度，IR还将重点开发GaN基解决方案。
目前在电源管理领域有很多热点技术，而新技术的一个典型例子是来自可替代能源领域。显然，任何专注于应对这一领域的电源管理产品都将有极大的增长潜力。
对环境能源进行非常少量的收集和管理，可以借用该能源能用来执行各种功能，以达到部分节能与提高能效的目的，例如监视大楼中的 HVAC系统，从而使能源利用效率更高。在我们周围存在着许许多多的环境能量，能量收集的传统方法一直是借助太阳能电池板和风力发电机。不过，新的收集手段允许我们利用各种各样的环境能量源来产生电能。此外，重要之处并非电路的能量转换效率，而是更多地在于可为其供电的“平均收集”能量值。例如：热电发生器可将热量转换为电力、压电元件可转换机械振动、光伏元件用于转换阳光 (或任何光子源)、而流电元件则可从湿气实现能量转换。这使得能够给远程传感器供电或对电能存储器件 (例如：电容器或薄膜电池) 进行充电，从而可为微处理器或发送器实施远程供电，而无需使用本地电源。Tony Armstrong认为，这反过来又为将凌力尔特的能量收集产品用作潜在的解决方案带来了机会。 可替代能源带来了很多机会，其中一个非常典型的例子是太阳能供电的电子设备市场。随着各公司不断寻求降低能耗的方式，该市场也在持续增长。例如智能电表，这类电表用在智能电网上，希望由环境能源供电，以降低工作所需的能源成本。一个可行和充足的能源是太阳能。不过，因为太阳能是易变和不可靠的，几乎所有太阳能供电的设备都具备可再充电电池。因此，一个重要的目标是，抽取尽可能多的太阳能以给这些电池快速充电，并保持它们的充电状态，以在没有太阳可用时将电池用作能源。
数字模拟的博弈
模拟电源和数字电源经过几年的博弈，目前进入相对平衡的一个阶段，比较而言数字电源和模拟电源各有优势。如数字电源更灵活，但在响应速度、成本及占位面积方面，相比模拟电源仍有不少差距。总的来看，模拟电源仍占据主导地位，特别是在不需要额外数字控制功能的应用中，模拟电源及电源管理芯片毫无疑问是首选。安森美的郑兆雄直言，领先的高性能、高能效电源方案供应商在模拟电源领域也不断创新，包括以创新的电源架构来配合提升电源能效，应对更加严格的能效要求，使模拟电源在未来仍有极广阔的发展空间。MAXIM的Jon Day则表示，目前对于数字和模拟控制方案的对比大多集中在性能方面，但应该看到模拟方案在成本上仍然有一定的优势。不过随着数字电路转向更小的尺寸，这种情况将会发生逆转。数字方案的主要优势在于远端控制的灵活性以及简洁的控制架构——无论在用户级还是系统管理级。
当然，作为新技术出现的数字电源，必然有其自身的优势才具有了挑战模拟电源的可能。以数据中心为例，如果数字电源设计正确，就可以降低数据中心能耗、加快产品上市、具备卓越的稳定性和瞬态响应、并在诸如网络设备中提高系统总体可靠性。网络设备的系统设计师需要提高系统的数据吞吐量和性能，并增加功能。同时，还有一种压力，就是降低系统总体功耗。数据中心面临的挑战是，通过重新安排工作流程，并将作业转移到未得到充分利用的服务器上以使其他服务器能停机，来降低总体功耗。为了满足这些要求，有必要知道最终用户设备的功耗。恰当设计的数字电源管理系统可向用户提供功耗数据，允许做出智能能源管理决策。
Tony Armstrong的观点中，数字电源系统管理的一个主要好处是，设计成本降低，且产品能更快上市。采用一种具直观图形用户界面 (GUI) 的综合开发环境可高效地开发复杂的多电源轨系统。另外，此类系统还可通过该 GUI 实现变更 (取代了“白线”安装焊接法)，从而简化了线路内测试 (ICT) 和电路板调试。另一个好处是，由于有实时遥测数据可用，所以有可能预测电源系统故障，并采取预防措施。也许最重要的是，具备数字管理功能的 DC/DC 转换器使设计师能开发“绿色”电源系统，在负载点、电路板、支架甚至安装阶段，以最低限度的能源使用量，达到目标性能 (计算速度、数据传输速率等)，从而在产品的寿命期内，降低基础设施成本和总体拥有成本。
王剑从模块的角度分析了数字电源的走俏。制造商喜好使用模块解决方案，因为相比分立解决方案，模块解决方案具有数项优势。首先，模块方案有助于提高系统的可靠性和效率。许多成套设备开发人员在设计功率部件和栅极驱动电路时遇到了困难，因其布局周边是非常敏感的。而模块解决方案在设计中考虑了这些因素，以期减小杂散电阻/电感并优化开关特性，这可以通过优化硅晶片安排及缩短引线粘接长度来实现。其次，模块方案能够简化成套设备的设计和制造过程。最近，瞄准家用电器的低成本模块产品集成了某些不可缺少的外设，如 Bootstrap 二极管和NTC热敏电阻，以及具有较低热阻的隔离基底材料，能够简化装配过程并提高散热性能。