綠色半導體技術的最新發展趨勢

綠色電源技術是業界探討極為廣泛的話題。一直以來，很少有電子設計領域會輕率對待功率消耗問題。事實上，大多數設計人員竭力將功耗降至最低，使其產品優化。然而，隨著“綠色電源”概念伴隨“智能電網”一起涌現，我們發現此概念涵蓋的范疇已經不僅是功耗。實際上它是設計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且“電網”電能供應有限的現今世界，消費者都變得共同關注他們的用電量見圖1中的房屋橫截面圖。與此同時，設計人員迫切需要提升電池使用時間、功能組合、速度、精確度、通信及用戶可執行信息actionableinformation等所有方面的表現。可惜，如今很少有產品為用戶在某種特定裝置或產品正實際消耗的功率方面提供較多的智能型反饋或詳細信息。此種演變為設計人員帶來了更大的挑戰。用戶期望的功能日益增多，但同時必須降低功耗及成本。因此，關鍵問題已經變為“當設計公式中常常有相互沖突的變項時，設計人員能如何提供領先的性能？”

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具體而言，您如何在增添如通信等傳統的功率密集型功能的同時降低總功耗？又或是，您如何能不消耗功率卻又精確地計量功率及整合信息？唯一現實的答案就是必須細究設計的每個方面。目前主要是在照明/背光lighting、微處理器及顯示面板等領域取得進展。然而，計量metrology及通信領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1mA的極少。許多先進產品都有運動moving元件，故電機驅動器能效的影響迅速成為可以大幅改善的領域。通信、計量及機電系統為系統工程師提供了極佳機會，讓他們能夠堅實地改善功能、功耗及總體系統智能。

通信基礎設施位于“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及可執行的信息，家庭局域網HAN和鄰里局域網NAN中完全連接的生態系統必不可少。在許多地方，電力線通信PLC方案已經成為網絡節點之間高可靠性通信的首選方案。AMIS-49587PLC調制解調器modem業已成為適中數據率PLC通信的標準，而安森美半導體則持續在此領域開發更多產品。下一代PLC收發器的波特率BaudRate大幅提升，同時功耗維持在現有方案的水平。

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在“綠色能源”領域，無線方案正變得更加常見。令人意外的是，射頻RF收發器的最主要功耗源是在接收部份，需要采用數字信號處理技術來管理此特殊協議堆棧protocolstack。某些系統架構要求配合多種協議堆棧，還可能要配合復雜的加密算法。“無線”overtheair更新使RF收發器面臨的要求進一步復雜化。像安森美半導體這樣的公司正在開發下一代的無線電方案，旨在同時應對物理層和協議堆棧的功耗問題，從而推進各自技術及適配能力adoption。某些無線通信標準正在演進之中，將會減輕信號處理鏈上的負荷，同時維持集成的靈活性及帶寬。最后，系統設計人員有責任在平衡協議復雜度、工作周期休眠、“監聽”sniff、發射、接收等方面的優化。

我們還注意到，受更先進半導體技術及接收信號鏈某些架構級改善的推動，接收模式的電流消耗已經逐代穩步下降。大多數“智能電網”或“綠色電源”方案在其特殊網絡內部并無太多量的數據移動，但也有一些較低載波頻率的數據移動。這就提供附帶優勢，因為方案的頻率較低，不僅降低功耗，而且改善信號傳播。專用無線電的出現就不可避免了，因為功率要求迫使設計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電路帶來的功率負荷。

功率計量設計領域的技術一直由傳統交流電表推動。這些傳統案面往往是內嵌微控制器的較大系統級芯片SoC元件。此類方案有一項關鍵不足：微控制器。乍聽起來，這可能有違直覺，但每個微控制器若適用的話，則是每個內核在某個時刻僅時執行一個指令。某些指令要求的系統頻率周期不止一個，引入隨機單元randomelement來執行代碼。例如，可以嘗試在您的計算機上以優于1ms的分辨率執行某種軟件功能，您可能會驚訝地發現，即使是使用頻率達數千兆赫茲multi-GHz的處理器，實際上也不可能在沒有某種精密定時的硬件介入hardwareintervention的情況下維持一種周期性事件。

綠色半導體技術的最新發展趨勢

此問題的副產物就是相同頻率時不可避免的錯誤。以SoC為基礎的計量元件使用極富創新且常常是專有的方案來解決此問題。“綠色電源”計量的自然演進將是在精確度accuracy、物料單BOM復雜度及功耗等方面作出恰當平衡的優化計量元件。采用專用全同步處理及最佳采樣精確度，可以最佳地實現這種演進。這確保后階段處理任務postprocessing減至最輕，對最終方案的功耗有重要影響。安森美半導體正在發展帶全同步采樣及信號路徑的下一代計量產品，能夠提供功耗低于1mW的完整計量方案。這就為設計人員提供極高的集成靈活性，而對功率預算的影響極輕。實時功率耗用信息不僅為最終用戶提供可能會影響使用行為的可執行數據，也為系統設計人員提供有價值的診斷回饋。此種優化程度的一項意料之外的副產物是硅面積減小；由于不帶占用大面積的微處理器和代碼“閃存”flash只讀內存ROM，此元件比傳統方案明顯更小及更便宜。

電機控制歷史上一直受一項基本局限的束縛：您的設計必須顧及最惡劣條件的負載、溫度及機電系統的物理退化physicaldegradation。最終結果是系統始終消耗最惡劣條件下功率。近年來，像AMIS-305xx和AMIS-3062x這樣的進階電機控制產品直接反饋電機的速度及負載角SLA見圖2——電機控制器產品功能小結。這樣就有可能實時知道電機上是怎樣的負載力loadforce，并精密地調節驅動電流來對應負載力。這些電機控制器為設計人員提供內嵌自適應電機控制算法，確保機電系統在所有時刻都以峰值能效運轉。此技術的成本近幾個月來已大幅下降，而且在顧及到整體BOM時，集成帶無傳感器反饋的高級電機控制方案的成本如今已與傳統方案不相上下。這使設計人員能夠自由地實質性改善功耗及散熱，且對系統總成本沒有影響或影響輕微。安森美半導體已在其新系列的大電流步進電機驅動器整合相同的SLA技術，故在能效方面的潛在獲益將很可觀。AMIS-3042x系列步進電機驅動器整合了SLA技術、高分辨率微步進micro-stepping控制及進階的MOSFET技術，BOM成本低，提供無與倫比的能效及價值。

“綠色電源”的未來是提供豐富功能的連接型元件，能夠自我監視，為用戶提供高價值的運行信息。充分優化的專用標準產品ASSP將能夠用于開發著重提升系統總能效的下一代電子產品。將設計中消耗功率最多的元件優化不再是必須之舉。各個系統必須向下延伸至在晶體管級優化，從而在能效、成本及性能方面盡可能提供最佳的平衡。無線產品將持續演進，物理層的功耗將更低，但最實質的能效提升將在協議堆棧中獲得，協議堆棧中將最佳地平衡可程序設計能力及固定邏輯功能，從而簡化協議堆棧在特定應用中的整合。功率計量元件也在變化，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。下一代計量方案將不再依賴于主控制器來處理功率數據。電機驅動器利用先進的功能，如電機速度及負載角SLA反饋以提供最恰當的驅動電流，為降低功耗提供了重要機會。這在可以節省數安培電流消耗的大功率/大電流電機中尤為真切。“綠色電源”領域唯一可以確定的是設計人員將繼續推動其設計的性能極限，為最終客戶提供更高等級的性能和能效。

來源：中電網

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