半导体节能方案攻略

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  对于半导体行业来说,节能降耗的方法很多,就像我们吃食物,可以从采集新能源(新食物),也可以改良制造工艺(消耗少),还可以进行电源管理(合理进食)角度开展。
  
  从自然界采集能源
  
  人们正在研制能从光、振动乃至体温中采集能源,并创建无需电池就能永续运行的产品。如果部分微处理器/微控制器能够靠环境能源来为其供电的话,这将对我们的环境有重要而深远的影响。TI等公司研发的MCU已将消费类电子与工业应用的电池使用寿命进一步延长至10年、20年,甚至在某些情况下完全不需要外接电源,例如靠太阳能电池板、振动能等。
  据TI MSP430中国区业务拓展经理刁勇介绍,凭借合理的内核、高集成度以及智能外设,MSP430在超低功耗应用中已有时日。随着2008年底TI推出的CC430技术平台,可将MSP430与TI的无线射频(RF)技术集成在单芯片上,使其成为了能源采集设计人员的选择之一。
  TI介绍了一些无线能源采集应用案例:
  桥梁 AdaptivEnergy公司与TI合作,已开发出一个能采集振动产生的能源,来驱动传感器并把信息发送到采集点的模块。因为驶过桥梁的车辆的振动可以转化成能源,可为监测桥梁结构整体性的传感器供电。这样有关桥梁状况的信息可以及早得到反馈,防止由于结构性能差而造成的事故,确保安全并降低维护成本,甚至可以监测到异常振动,预警地震或其它自然灾害。有朝一日这种振动还可以为桥梁照明供电。
  办公室格子间 目前,大多数办公室都采用临时性的格子间,无法实现每个格子的温度调节和照明控制。如果有某种无线传感器可以通过环境光线提供的能源运行,并与建筑的HVAC(高压交流电)系统对话,控制自己格子间的温度,就可以实现更加理想的温度调节和照明控制,进而实现更高的工作效率。
  医疗电子 今天在医院看到的插在病人身上的管管线线将不复存在。未来,将有一种贴在皮肤上的传感器靠人的体温提供的能量就能测量体温、血压、心率、血液含氧量等指标,然后把数据无线发送到护士站或医生处。我们还可以设想,将会出现一种永远不需要更换电池的永久性植入式起搏器。
  汽车电子、手机、玩具 未来车上的传感器能通过收集振动或热量来驱动,并在故障发生前发送诊断信息予以警告;有一天手机可以靠环境光线提供的能源给电池充电,不再需要插在插座上充电;孩子们的玩具将不再需要更换电池。
  
  改良工艺
  
  在自身设计改进方面,半导体的节能降耗最根本的办法是提升制程工艺,在功耗不变的前提下,如果能提高半导体的集成度,其实就意味着提升了产品的能效比。Altera公司半导体技术专家相奇博士介绍,该公司将在2008年底前推出40nm工艺的FPGA产品,相比于标准的45nm制程,40nm产品在速度上提升了10%的同时,还能有效降低10%的功耗,这非常切合现在高速传输和更低功耗的FPGA应用,比如超过10Gbit/s的高速传输应用。40nm工艺也更能满足客户对功耗、性能、面积和成本之间的综合需求。
  
  电源管理
  
  通过管理和控制降低终端产品功耗同样是半导体对节能降耗的重要贡献。这里指的电源管理是广义的节电措施,包括硬件和软件等方式。直接的硬件调节主要靠电源管理芯片/功率器件等,而微控制器、FPGA/ASIC和SoC等通过优化软件来控制和实现。 在硬件方面,例如日常的光源照明是电能消耗重要部分,节能灯不可调光是制约节能灯取代白炽灯的主要原因之一,随着澳大利亚、北美和欧洲相继强制推行节能灯计划,节能灯调光成为新趋势,据统计,节能灯调光10%可节电25%左右。
  针对目前节能灯普遍无法调光的现状,IR公司推出了用于节能调光荧光灯镇流器应用的IRS2530D和IRS2158D 600V控制IC。据IR高级产品经理黄赞介绍,2530D可以提供一种多级和三路紧凑型荧光灯(简称CFL)应用方案,在一个引脚集成了调光控制功能,可以与原有方案进行直接替换,同时可实现紧凑型荧光灯及线性镇流器多达10%的调光系统性能。整体成本与现有不可调光方案差距在10%左右。采用半桥式驱动器的IRS2158D适用于需要调光性能超过10%的应用,该元件具有全面的保护功能,如防止灯泡无法点亮、灯丝故障和灯泡报废保护,非常适合包括日渐流行的T5灯泡在内的薄型灯。
  当待机功耗进一步降低时,仅仅靠低功耗的IC和电源管理芯片已经不够。据NXP大中华区多重市场半导体产品市场总监金宇杰介绍,一些高耗能的家电(例如彩电)可通过微控制器(MCU)来控制一些功能的关闭和开启,以达到降低整机的待机功耗。
  为了降低FPGA/ASIC及一些大型器件(诸如SoC)的功耗,也通过功耗管理软件来实现功耗管理。例如Altera在其FPGA产品中集成了可编程功耗管理技术,根据栅的不同的工作状态,用软件来控制背栅电压:只有在关键处理部分和高速传输部分加强电压;控制其他工作状态的电压,进而实现整体功耗的降低。
  
  结语
  
  节能是一个令人振奋的亮点,存在无尽的可能性。只要我们共同携手,能让整个世界变得更智能、健康、安全、绿色和乐趣恒生。
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