滿足節(jié)能、環(huán)保設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體解決方案

環(huán)保設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)指令)，對(duì)能源使用產(chǎn)品(Energy using Products, EuP)的環(huán)保設(shè)計(jì)要求制定了框架。

歐盟要求各成員國(guó)必須把該環(huán)保設(shè)計(jì)指令轉(zhuǎn)化為本國(guó)法令、規(guī)范和管理規(guī)定，并加以實(shí)施。例如，德國(guó)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(gè)重要問(wèn)題是：這項(xiàng)指令的宗旨何在？

該指令中詳細(xì)描述主要目標(biāo)如下：

1. 實(shí)現(xiàn)各成員國(guó)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(chǎng)的自由流通。

2. 不斷減少EuP對(duì)環(huán)境的影響。

3. 優(yōu)化產(chǎn)品的環(huán)保性能，同時(shí)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(wèn)題大部分都可以在設(shè)計(jì)階段得到解決，故應(yīng)該在設(shè)計(jì)階段采取各種環(huán)保設(shè)計(jì)行動(dòng)。

6. 建立環(huán)保設(shè)計(jì)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(chǎng)和/或投入服務(wù))規(guī)定，各成員國(guó)需采取一切有效措施，以確保只有通過(guò)相關(guān)評(píng)估并加貼CE標(biāo)識(shí)的EuP才能推出市場(chǎng)。不遵從規(guī)范將招致處罰，同時(shí)，相關(guān)產(chǎn)品必須撤出市場(chǎng)。

2007年11月22日，第一項(xiàng)工作計(jì)劃準(zhǔn)備的首個(gè)研究完成——《關(guān)于準(zhǔn)備環(huán)保設(shè)計(jì)指令的第一項(xiàng)工作計(jì)劃的研究》。這份長(zhǎng)達(dá)426頁(yè)的研究報(bào)告履行了指令第16條的內(nèi)容，旨在列出最先納入實(shí)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(xiàng)產(chǎn)品納入環(huán)保設(shè)計(jì)指令的范圍，并定義出57個(gè)產(chǎn)品類別，其中34類最先實(shí)施。這34類最先實(shí)施的產(chǎn)品進(jìn)一步劃分為優(yōu)先級(jí)A產(chǎn)品(25類產(chǎn)品)和優(yōu)先級(jí)B產(chǎn)品(9類產(chǎn)品)。

針對(duì)表1所列產(chǎn)品的先期研究、工作文檔或法規(guī)草案已準(zhǔn)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(bào)告已經(jīng)完成。



變壓器、制冷設(shè)備、音頻視頻編輯設(shè)備的先期研究報(bào)告也已完成，但尚未指定類別編號(hào)。

法規(guī)草案在《歐盟公報(bào)》(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(guó)正式生效。

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

待機(jī)功耗規(guī)范對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)商和半導(dǎo)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(shí)間內(nèi)迅速調(diào)整自己的產(chǎn)品，而半導(dǎo)體公司必須為開(kāi)發(fā)人員提供創(chuàng)新性器件，以滿足以下要求：

在規(guī)范開(kāi)始實(shí)行后一年，任何關(guān)斷模式下的功耗不得超過(guò)1W；再過(guò)4年后，任何關(guān)斷模式下，功耗不得超過(guò)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(guò)1W。此外，產(chǎn)品須具有一項(xiàng)特別功能，能夠根據(jù)需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)把設(shè)備自動(dòng)切換到待機(jī)、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(jī)功耗和關(guān)斷模式功耗的半導(dǎo)體器件
為了滿足這些嚴(yán)苛的要求，飛兆半導(dǎo)體公司提供有廣泛的產(chǎn)品組合，這就是飛兆半導(dǎo)體功率開(kāi)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(shí)現(xiàn)高效率，在待機(jī)模式下功耗極低。

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

除了谷底導(dǎo)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(lái)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(shí)現(xiàn)低于1W的待機(jī)模式總體功耗。

圖1所示為帶反激式拓?fù)涞腇SQxxx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(dǎo)通功能(準(zhǔn)諧振)，必須有以下器件：R4、R5、R6、D6 和 C6 (參見(jiàn)圖1)。把這些電路與變壓器的輔助次級(jí)繞組以及調(diào)節(jié)器的同步引腳(Sync-Pin)相連接，就可以檢測(cè)谷底。利用一個(gè)固定程序，調(diào)節(jié)器能夠在漏極電壓谷底時(shí)對(duì)集成式功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。圖2所示為測(cè)得的電壓和電流波形示例。



圖2 谷底導(dǎo)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(shí)切換調(diào)節(jié)器。在這種模式下，輸出電壓紋波稍高，但對(duì)于待機(jī)模式可以忽略不計(jì)。通常只有顯示器被連接以顯示待機(jī)模式。最簡(jiǎn)單的例子是一個(gè)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(dǎo)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(dǎo)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(wú)谷底導(dǎo)通功能。利用這些器件，待機(jī)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(shè)計(jì)，由于這個(gè)功率范圍的導(dǎo)通損耗非常低，使用谷底導(dǎo)通不會(huì)帶來(lái)任何優(yōu)勢(shì)。

表4 具有集成式間歇模式和低待機(jī)功耗的FSQ510系列



滿足電動(dòng)機(jī)和水泵、商用通風(fēng)設(shè)備應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器件

這里將首先討論循環(huán)泵和通風(fēng)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(yīng)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(shè)計(jì)變得越來(lái)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(chǔ)存的熱量快速高效地傳送到各個(gè)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(dú)調(diào)節(jié)。在許多情況下，每一層會(huì)都連接一個(gè)單獨(dú)的泵。

以往是通過(guò)簡(jiǎn)單的TRIAC控制來(lái)調(diào)節(jié)水壓(通常分三步)。

TRIAC控制只能用于通用式電動(dòng)馬達(dá)，它的缺點(diǎn)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(wú)刷直流)電動(dòng)機(jī)相連并基于智能逆變器的驅(qū)動(dòng)器，可以提高效率(能源節(jié)省高達(dá)70%)，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)替代能源需求的增加，又出現(xiàn)了太陽(yáng)能和熱泵應(yīng)用。這些應(yīng)用的要求與供熱應(yīng)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(jí)時(shí)亦然。在各種能效規(guī)范和政府限令的推動(dòng)之下，開(kāi)發(fā)和使用基于逆變器的解決方案是大勢(shì)所趨。

飛兆半導(dǎo)體提供的智能功率模塊(SPM)產(chǎn)品系列專門針對(duì)高至120W的功率范圍而設(shè)計(jì)，并備有TinySMD和TinyDIP封裝，能夠以極小的占位面積取代9個(gè)分立式器件。圖5所示為一個(gè)采用TinyDIP模塊的典型逆變器應(yīng)用的原理示意圖。要開(kāi)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(gè)微控制器)。



圖5 典型的逆變器應(yīng)用

環(huán)保設(shè)計(jì)指令考慮到前面討論過(guò)的壽命周期等因素。TinyDIP和TinySMD模塊都是經(jīng)過(guò)預(yù)先測(cè)試和優(yōu)化的子系統(tǒng)，因而降低了FIT率(故障率)，增強(qiáng)了整體系統(tǒng)的可靠性，最終加速設(shè)計(jì)進(jìn)程，加快上市速度，并有助于實(shí)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(xué)校和醫(yī)院等公共建筑也需要供熱和通風(fēng)系統(tǒng)。對(duì)于目前的現(xiàn)代建筑物管理，單獨(dú)的、無(wú)級(jí)別的調(diào)節(jié)與控制是常見(jiàn)要求。這類環(huán)境使用的設(shè)備的功率范圍在100W～kW之間。大型設(shè)備無(wú)疑會(huì)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(huì)影響其他設(shè)備的運(yùn)作性能，如IT基礎(chǔ)設(shè)施。飛兆半導(dǎo)體為更高的額定功率提供了相應(yīng)的功率模塊組合。由于較高功率級(jí)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(jí)應(yīng)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(yīng)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(dǎo)體元件用藍(lán)色標(biāo)注，鍵合連接用黑色標(biāo)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(dòng)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(shí)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(gè)銅區(qū)域可提供相當(dāng)于熱擴(kuò)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(shí)施環(huán)保設(shè)計(jì)指令及其相關(guān)法規(guī)是實(shí)現(xiàn)高能效應(yīng)用的重要方法。這些指令和法規(guī)給半導(dǎo)體供應(yīng)商帶來(lái)了重要的商機(jī)，推動(dòng)其開(kāi)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(xiàng)要求。