滿足節能、環保設計的半導體解決方案

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

歐盟要求各成員國必須把該環保設計指令轉化為本國法令、規范和管理規定，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. 實現各成員國法令之間的協調一致性，以確保能源使用產品在歐盟市場的自由流通。

2. 不斷減少EuP對環境的影響。

3. 優化產品的環保性能，同時保持其功能質量。

4. 提高能效，減少溫室氣體的排放。

5. 產品在壽命周期內造成的環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保設計行動。

6. 建立環保設計要求框架。

7. 把產品的潛在環境影響降至最低。

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

2007年11月22日，第一項工作計劃準備的首個研究完成——《關于準備環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條的內容，旨在列出最先納入實施范圍的能源使用產品清單。指令將首先處理這些產品。

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

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

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

表2所列產品種類的先期研究報告已經完成。

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。

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

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

待機功耗規范對產品生產商和半導體公司而言是一大挑戰。生產商將必須按照規范要求，在短時間內迅速調整自己的產品，而半導體公司必須為開發人員提供創新性器件，以滿足以下要求：

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

可降低待機功耗和關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品組合，這就是飛兆半導體功率開關(FPS)旗下的FSQ產品系列。該系列器件在產品正常工作期間可實現高效率，在待機模式下功耗極低。

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

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

即使產品使用功耗0.5W的顯示器，仍然很容易實現低于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 基于調節器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節器的同步引腳(Sync-Pin)相連接，就可以檢測谷底。利用一個固定程序，調節器能夠在漏極電壓谷底時對集成式功率開關進行切換。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節器。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節器，這些器件適合于8～90W的輸出功率范圍(具體數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節器(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。這些調節器專為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動器件

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

鑒于能效等多種原因，元件數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原理圖

供熱系統所需的水壓取決于產熱系統與散熱器之間的距離，以及必須克服的高度差距。因此，水壓必須單獨調節。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控制來調節水壓(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、調節效率低。
而利用與現代BLDC(無刷直流)電動機相連并基于智能逆變器的驅動器，可以提高效率(能源節省高達70%)，還能實現對供熱系統的高效智能控制，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對替代能源需求的增加，又出現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泵非常相似。要經由媒介(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，即便我們談到更高功率級時亦然。在各種能效規范和政府限令的推動之下，開發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。要開發空間優化的印制電路板，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模塊都是經過預先測試和優化的子系統，因而降低了FIT率(故障率)，增強了整體系統的可靠性，最終加速設計進程，加快上市速度，并有助于實現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、工廠以至學校和醫院等公共建筑也需要供熱和通風系統。

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

大型設備無疑會產生更多的不利影響，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，其內部驅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，而引腳框架則黏結在陶瓷上。利用陶瓷可實現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，而模塊外面的銅區域是均質的。功率器件焊接在銅區域的內部結構上，類似于PCB。兩個銅區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。這種技術也可提供2.5kV的隔離能力。

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