綠色半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢概述

　　綠色電源技術(shù)是業(yè)界探討極為廣泛的話題。一直以來，很少有電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域會(huì)輕率對待功率消耗問題。事實(shí)上，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員竭力將功耗降至最低，使其產(chǎn)品優(yōu)化。然而，隨著“綠色電源”概念伴隨“智能電網(wǎng)”一起涌現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)此概念涵蓋的范疇已經(jīng)不僅是功耗。實(shí)際上它是設(shè)計(jì)社群與最終用戶的一種觀念變更。就最基本的層面而言，“綠色”表示高能效。因此，在這越來越以電池操作裝置主導(dǎo)且“電網(wǎng)”電能供應(yīng)有限的現(xiàn)今世界，消費(fèi)者都變得共同關(guān)注他們的用電量（見圖1中的房屋橫截面圖）。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員迫切需要提升電池使用時(shí)間、功能組合、速度、精確度、通信及用戶可執(zhí)行信息（actionable information）等所有方面的表現(xiàn)?？上?，如今很少有產(chǎn)品為用戶在某種特定裝置或產(chǎn)品正實(shí)際消耗的功率方面提供較多的智能型反饋或詳細(xì)信息。此種演變?yōu)樵O(shè)計(jì)人員帶來了更大的挑戰(zhàn)。用戶期望的功能日益增多，但同時(shí)必須降低功耗及成本。因此，關(guān)鍵問題已經(jīng)變?yōu)?ldquo;當(dāng)設(shè)計(jì)公式中常常有相互沖突的變項(xiàng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員能如何提供領(lǐng)先的性能？”

　　HVAC Control 供暖通風(fēng)空調(diào)（HVAC）控制 、Security System 保安系統(tǒng) /Kitchen Appliances 廚房電器、White Goods 白家電、 Lighting Control 照明控制/ Sprinkler & Irrigation Systems 灑水及澆灌系統(tǒng)、Energy Management 能源管理

　　具體而言，您如何在增添如通信等傳統(tǒng)的功率密集型功能的同時(shí)降低總功耗？又或是，您如何能不消耗功率卻又精確地計(jì)量功率及整合信息？唯一現(xiàn)實(shí)的答案就是必須細(xì)究設(shè)計(jì)的每個(gè)方面。目前主要是在照明/背光（lighting）、微處理器及顯示面板等領(lǐng)域取得進(jìn)展。然而，計(jì)量（metrology）及通信領(lǐng)域有許多元件可供選擇，但提供超低功耗（某些案例下電流消耗低于1 mA）的極少。許多先進(jìn)產(chǎn)品都有運(yùn)動(dòng)（moving）元件，故電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能效的影響迅速成為可以大幅改善的領(lǐng)域。通信、計(jì)量及機(jī)電系統(tǒng)為系統(tǒng)工程師提供了極佳機(jī)會(huì)，讓他們能夠堅(jiān)實(shí)地改善功能、功耗及總體系統(tǒng)智能。

　　通信基礎(chǔ)設(shè)施位于“綠色能源”的核心位置。電力使用者及電力提供者手中要獲得詳細(xì)及可執(zhí)行的信息，家庭局域網(wǎng)（HAN）和鄰里局域網(wǎng)（NAN）中完全連接的生態(tài)系統(tǒng)必不可少。在許多地方，電力線通信（PLC）方案已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間高可靠性通信的首選方案。AMIS-49587 PLC調(diào)制解調(diào)器（modem）業(yè)已成為適中數(shù)據(jù)率PLC通信的標(biāo)準(zhǔn)，而安森美半導(dǎo)體則持續(xù)在此領(lǐng)域開發(fā)更多產(chǎn)品。下一代PLC收發(fā)器的波特率（Baud Rate）大幅提升，同時(shí)功耗維持在現(xiàn)有方案的水平。

　　Watchdog 看門狗、Power Regulator 電源穩(wěn)壓器、Charge Pump 電荷泵、Interface 接口、Logic & Registers 邏輯及緩存器

　　SLA 速度及負(fù)載角（SLA）、Stall Detect 停轉(zhuǎn)檢測、Positioner 定位器、Translator 轉(zhuǎn)換器、Current PWM Regulator 電流、PWM穩(wěn)壓器、Pre-driver 預(yù)驅(qū)動(dòng)器、Driver 驅(qū)動(dòng)器、In all products 所有產(chǎn)品皆含此功能

　　在“綠色能源”領(lǐng)域，無線方案正變得更加常見。令人意外的是，射頻（RF）收發(fā)器的最主要功耗源是在接收部份，需要采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來管理此特殊協(xié)議堆棧（protocol stack）。某些系統(tǒng)架構(gòu)要求配合多種協(xié)議堆棧，還可能要配合復(fù)雜的加密算法。“無線”（over the air）更新使RF收發(fā)器面臨的要求進(jìn)一步復(fù)雜化。像安森美半導(dǎo)體這樣的公司正在開發(fā)下一代的無線電方案，旨在同時(shí)應(yīng)對物理層和協(xié)議堆棧的功耗問題，從而推進(jìn)各自技術(shù)及適配能力（adoption）。某些無線通信標(biāo)準(zhǔn)正在演進(jìn)之中，將會(huì)減輕信號(hào)處理鏈上的負(fù)荷，同時(shí)維持集成的靈活性及帶寬。最后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有責(zé)任在平衡協(xié)議復(fù)雜度、工作周期（休眠、“監(jiān)聽”（sniff）、發(fā)射、接收等）方面的優(yōu)化。

　　我們還注意到，受更先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)及接收信號(hào)鏈某些架構(gòu)級(jí)改善的推動(dòng)，接收模式的電流消耗已經(jīng)逐代穩(wěn)步下降。大多數(shù)“智能電網(wǎng)”或“綠色電源”方案在其特殊網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部并無太多量的數(shù)據(jù)移動(dòng)，但也有一些較低載波頻率的數(shù)據(jù)移動(dòng)。這就提供附帶優(yōu)勢，因?yàn)榉桨傅念l率較低，不僅降低功耗，而且改善信號(hào)傳播。專用無線電的出現(xiàn)就不可避免了，因?yàn)楣β室笃仁乖O(shè)計(jì)人員放棄一般用途無線電，以此避免過多可編程性及寄生閑置（inactive）電路帶來的功率負(fù)荷。

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　　功率計(jì)量設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)一直由傳統(tǒng)交流電表推動(dòng)。這些傳統(tǒng)案面往往是內(nèi)嵌微控制器的較大系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）元件。此類方案有一項(xiàng)關(guān)鍵不足：微控制器。乍聽起來，這可能有違直覺，但每個(gè)微控制器（若適用的話，則是每個(gè)內(nèi)核）在某個(gè)時(shí)刻僅時(shí)執(zhí)行一個(gè)指令。某些指令要求的系統(tǒng)頻率周期不止一個(gè)，引入隨機(jī)單元（random element）來執(zhí)行代碼。例如，可以嘗試在您的計(jì)算機(jī)上以優(yōu)于1 ms的分辨率執(zhí)行某種軟件功能，您可能會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，即使是使用頻率達(dá)數(shù)千兆赫茲（multi-GHz）的處理器，實(shí)際上也不可能在沒有某種精密定時(shí)的硬件介入（hardware intervention）的情況下維持一種周期性事件。

　　

　　綠色半導(dǎo)體技術(shù)的最新發(fā)展趨勢

　　此問題的副產(chǎn)物就是相同頻率時(shí)不可避免的錯(cuò)誤。以SoC為基礎(chǔ)的計(jì)量元件使用極富創(chuàng)新且常常是專有的方案來解決此問題。“綠色電源”計(jì)量的自然演進(jìn)將是在精確度（accuracy）、物料單（BOM）復(fù)雜度及功耗等方面作出恰當(dāng)平衡的優(yōu)化計(jì)量元件。采用專用全同步處理及最佳采樣精確度，可以最佳地實(shí)現(xiàn)這種演進(jìn)。這確保后階段處理任務(wù)（post processing）減至最輕，對最終方案的功耗有重要影響。安森美半導(dǎo)體正在發(fā)展帶全同步采樣及信號(hào)路徑的下一代計(jì)量產(chǎn)品，能夠提供功耗低于1 mW的完整計(jì)量方案。這就為設(shè)計(jì)人員提供極高的集成靈活性，而對功率預(yù)算的影響極輕。實(shí)時(shí)功率耗用信息不僅為最終用戶提供可能會(huì)影響使用行為的可執(zhí)行數(shù)據(jù)，也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供有價(jià)值的診斷回饋。此種優(yōu)化程度的一項(xiàng)意料之外的副產(chǎn)物是硅面積減??；由于不帶占用大面積的微處理器和代碼“閃存”（flash）只讀內(nèi)存（ROM），此元件比傳統(tǒng)方案明顯更小及更便宜。

　　電機(jī)控制歷史上一直受一項(xiàng)基本局限的束縛：您的設(shè)計(jì)必須顧及最惡劣條件的負(fù)載、溫度及機(jī)電系統(tǒng)的物理退化（physical degradation）。最終結(jié)果是系統(tǒng)始終消耗最惡劣條件下功率。近年來，像AMIS-305xx和AMIS-3062x這樣的進(jìn)階電機(jī)控制產(chǎn)品直接反饋電機(jī)的速度及負(fù)載角（SLA）（見圖2——電機(jī)控制器產(chǎn)品功能小結(jié)）。這樣就有可能實(shí)時(shí)知道電機(jī)上是怎樣的負(fù)載力（load force），并精密地調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流來對應(yīng)負(fù)載力。這些電機(jī)控制器為設(shè)計(jì)人員提供內(nèi)嵌自適應(yīng)電機(jī)控制算法，確保機(jī)電系統(tǒng)在所有時(shí)刻都以峰值能效運(yùn)轉(zhuǎn)。此技術(shù)的成本近幾個(gè)月來已大幅下降，而且在顧及到整體BOM時(shí)，集成帶無傳感器反饋的高級(jí)電機(jī)控制方案的成本如今已與傳統(tǒng)方案不相上下。這使設(shè)計(jì)人員能夠自由地實(shí)質(zhì)性改善功耗及散熱，且對系統(tǒng)總成本沒有影響或影響輕微。安森美半導(dǎo)體已在其新系列的大電流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器整合相同的SLA技術(shù)，故在能效方面的潛在獲益將很可觀。AMIS-3042x系列步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器整合了SLA技術(shù)、高分辨率微步進(jìn)（micro-stepping）控制及進(jìn)階的MOSFET技術(shù)，BOM成本低，提供無與倫比的能效及價(jià)值（見圖3——AMIS-3042x框圖）。

　　“綠色電源”的未來是提供豐富功能的連接型元件，能夠自我監(jiān)視，為用戶提供高價(jià)值的運(yùn)行信息。充分優(yōu)化的專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）將能夠用于開發(fā)著重提升系統(tǒng)總能效的下一代電子產(chǎn)品。將設(shè)計(jì)中消耗功率最多的元件優(yōu)化不再是必須之舉。各個(gè)系統(tǒng)必須向下延伸至在晶體管級(jí)優(yōu)化，從而在能效、成本及性能方面盡可能提供最佳的平衡。無線產(chǎn)品將持續(xù)演進(jìn)，物理層的功耗將更低，但最實(shí)質(zhì)的能效提升將在協(xié)議堆棧中獲得，協(xié)議堆棧中將最佳地平衡可程序設(shè)計(jì)能力及固定邏輯功能，從而簡化協(xié)議堆棧在特定應(yīng)用中的整合。功率計(jì)量元件也在變化，從而以最佳的精確度、低成本傳感器及大幅降低的功能符合新的市場目標(biāo)。下一代計(jì)量方案將不再依賴于主控制器來處理功率數(shù)據(jù)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器利用先進(jìn)的功能，如電機(jī)速度及負(fù)載角（SLA）反饋以提供最恰當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電流，為降低功耗提供了重要機(jī)會(huì)。這在可以節(jié)省數(shù)安培電流消耗的大功率/大電流電機(jī)中尤為真切。“綠色電源”領(lǐng)域唯一可以確定的是設(shè)計(jì)人員將繼續(xù)推動(dòng)其設(shè)計(jì)的性能極限，為最終客戶提供更高等級(jí)的性能和能效。

　　作者： 安森美半導(dǎo)體產(chǎn)品線經(jīng)理Matthew Tyler

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作者：tee