满足节能、环保设计的半导体解决方案

环保设计指令发展背景

2005年7月6日，欧盟主席签署了EU指令2005/32/EU (环保设计指令)，对能源使用产品(Energy using Products, EuP)的环保设计要求制定了框架。

欧盟要求各成员国必须把该环保设计指令转化为本国法令、规范和管理规定，并加以实施。例如，德国便于2008年3月7日颁布了EbPG(Energiebetriebenen Produkte Gesetz, 能源使用产品法)法令。

第一个重要问题是：这项指令的宗旨何在？

该指令中详细描述主要目标如下：

1. 实现各成员国法令之间的协调一致性，以确保能源使用产品在欧盟市场的自由流通。

2. 不断减少EuP对环境的影响。

3. 优化产品的环保性能，同时保持其功能质量。

4. 提高能效，减少温室气体的排放。

5. 产品在寿命周期内造成的环境污染问题大部分都可以在设计阶段得到解决，故应该在设计阶段采取各种环保设计行动。

6. 建立环保设计要求框架。

7. 把产品的潜在环境影响降至最低。

除此之外，指令第3条(推出市场和/或投入服务)规定，各成员国需采取一切有效措施，以确保只有通过相关评估并加贴CE标识的EuP才能推出市场。不遵从规范将招致处罚，同时，相关产品必须撤出市场。

2007年11月22日，第一项工作计划准备的首个研究完成——《关于准备环保设计指令的第一项工作计划的研究》。这份长达426页的研究报告履行了指令第16条的内容，旨在列出最先纳入实施范围的能源使用产品清单。指令将首先处理这些产品。

研究确定600项产品纳入环保设计指令的范围，并定义出57个产品类别，其中34类最先实施。这34类最先实施的产品进一步划分为优先级A产品(25类产品)和优先级B产品(9类产品)。

针对表1所列产品的先期研究、工作文档或法规草案已准备就绪。其中两种最终法规已形成。



表2所列产品种类的先期研究报告已经完成。



变压器、制冷设备、音频视频编辑设备的先期研究报告也已完成，但尚未指定类别编号。

法规草案在《欧盟公报》(Official Journal of the European Union)上发表后，将成为最终法规，并于20日之后在欧盟所有成员国正式生效。

有关机顶盒的规范和待机功耗规范也已生效。机顶盒规范与众不同在于它同时规定了机顶盒的待机功耗和正常工作功耗。

待机功耗规范对产品生产商和半导体公司而言是一大挑战。生产商将必须按照规范要求，在短时间内迅速调整自己的产品，而半导体公司必须为开发人员提供创新性器件，以满足以下要求：

在规范开始实行后一年，任何关断模式下的功耗不得超过1W；再过4年后，任何关断模式下，功耗不得超过0.5W，而若产品有重新激活操作模式或提供信息状态显示，功耗则不得超过1W。此外，产品须具有一项特别功能，能够根据需要在尽可能短的时间内把设备自动切换到待机、关断模式或任何能够满足功耗要求的状态。

可降低待机功耗和关断模式功耗的半导体器件
为了满足这些严苛的要求，飞兆半导体公司提供有广泛的产品组合，这就是飞兆半导体功率开关(FPS)旗下的FSQ产品系列。该系列器件在产品正常工作期间可实现高效率，在待机模式下功耗极低。

这些功率开关采用谷底导通(valley-switching)技术，把主要的导通损耗降至最低，从而实现高效率。在导通期间，导通损耗与功率开关上的电压成比例。此时，通过把开关上的电压导通降至最小，即可尽量降低损耗，提高效率。

除了谷底导通技术之外，器件还采用了一种被称为间歇模式（Burst-mode）的技术来尽量减小轻载条件下的功耗。即使产品使用功耗0.5W的显示器，仍然很容易实现低于1W的待机模式总体功耗。

图1所示为带反激式拓扑的FSQxxx电源的原理图。



图1 基于调节器FSQxxx的反激式电源的原理图

要获得谷底导通功能(准谐振)，必须有以下器件：R4、R5、R6、D6 和 C6 (参见图1)。把这些电路与变压器的辅助次级绕组以及调节器的同步引脚(Sync-Pin)相连接，就可以检测谷底。利用一个固定程序，调节器能够在漏极电压谷底时对集成式功率开关进行切换。图2所示为测得的电压和电流波形示例。



图2 谷底导通(红色：漏源电压；绿色：漏源电流)

这种间歇工作模式只是偶尔在轻载时切换调节器。在这种模式下，输出电压纹波稍高，但对于待机模式可以忽略不计。通常只有显示器被连接以显示待机模式。最简单的例子是一个LED，或是遥控接收器。



图3 间歇模式(从上到下)：输出电压VO、反馈引脚上电压VFB、漏源电流IDS、漏源电压VDS

表3列出了带集成式谷底导通功能和间歇工作模式的功率调节器，这些器件适合于8～90W的输出功率范围(具体数字取决于输入电压范围)。

表3 带集成式谷底导通功能和间歇模式的FSQxxx系列



FSQ510和FSQ510H则是拥有特别功能的调节器(如表4所示)。它们只有间歇工作模式，并无谷底导通功能。利用这些器件，待机功耗可低至60mW。这些调节器专为9W的最大输出功率而设计，由于这个功率范围的导通损耗非常低，使用谷底导通不会带来任何优势。

表4 具有集成式间歇模式和低待机功耗的FSQ510系列



满足电动机和水泵、商用通风设备应用的驱动器件

这里将首先讨论循环泵和通风系统这类产品，而同样原理也可用于其他拥有类似要求的应用产品。鉴于能效等多种原因，元件数量较少的紧凑型设计变得越来越重要。此外，寿命周期和可靠性等要求也扮演了重要的角色。

图4所示为供热系统中采用泵的原理图，其目的在于把热水里储存的热量快速高效地传送到各个相连的散热器中。



图4 一座两层住宅楼的供热系统原理图

供热系统所需的水压取决于产热系统与散热器之间的距离，以及必须克服的高度差距。因此，水压必须单独调节。在许多情况下，每一层会都连接一个单独的泵。

以往是通过简单的TRIAC控制来调节水压(通常分三步)。

TRIAC控制只能用于通用式电动马达，它的缺点是：总谐波失真(THD)较高、输入功耗高、调节效率低。而利用与现代BLDC(无刷直流)电动机相连并基于智能逆变器的驱动器，可以提高效率(能源节省高达70%)，还能实现对供热系统的高效智能控制，并减少天然能源消耗和温室气体排放。

随着供热和热水系统对替代能源需求的增加，又出现了太阳能和热泵应用。这些应用的要求与供热应用中采用的循环泵非常相似。要经由媒介(水或液压油)传送热量，高效控制“压力”值始终是十分重要的。类似情况也适用于空调，即便我们谈到更高功率级时亦然。在各种能效规范和政府限令的推动之下，开发和使用基于逆变器的解决方案是大势所趋。

飞兆半导体提供的智能功率模块(SPM)产品系列专门针对高至120W的功率范围而设计，并备有TinySMD和TinyDIP封装，能够以极小的占位面积取代9个分立式器件。图5所示为一个采用TinyDIP模块的典型逆变器应用的原理示意图。要开发空间优化的印制电路板，除了该模块外便只需很少外部元件(包括一个微控制器)。



图5 典型的逆变器应用

环保设计指令考虑到前面讨论过的寿命周期等因素。TinyDIP和TinySMD模块都是经过预先测试和优化的子系统，因而降低了FIT率(故障率)，增强了整体系统的可靠性，最终加速设计进程，加快上市速度，并有助于实现比分立式解决方案更小的占位空间。除家庭住宅外，办公建筑、工厂以至学校和医院等公共建筑也需要供热和通风系统。对于目前的现代建筑物管理，单独的、无级别的调节与控制是常见要求。这类环境使用的设备的功率范围在100W～kW之间。大型设备无疑会产生更多的不利影响，比如增加能耗和总谐波失真等。而这又会影响其他设备的运作性能，如IT基础设施。飞兆半导体为更高的额定功率提供了相应的功率模块组合。由于较高功率级通常需要散热器，这些模块提供了良好的散热器连接性能，比小型TinyDIP和TinySMD模块更适合于高功率级应用。

MiniDIP模块备有三种不同版本，分别是完全模塑MiniDIP模块、陶瓷MiniDIP模块和DBC MiniDIP模块。三种版本彼此引脚兼容，主要差异在于与散热器的热连接方式，以及相应的安装面积。

DIP模块有两种版本，即陶瓷DIP模块和DBC DIP模块。MiniDIP模块 和DIP模块的DBC版本如图6、7所示。图8比较了陶瓷DIP模块和DBC DIP模块的横截面差异。

图8中，半导体元件用蓝色标注，键合连接用黑色标注，引脚框架为淡灰色。



图6 MiniDIP模块(DBC)



图7 DIP模块(DBC)



图8 DIP模块的横截面，上图为DBC版本，下图为陶瓷版本

不论模块属于上述哪种类型，其内部驱动器件都直接焊接在引脚框架上(图左边)。

在陶瓷类型中，功率器件也直接焊接在引脚框架上，而引脚框架则黏结在陶瓷上。利用陶瓷可实现2.5kV的隔离电压，以及与散热器良好的热连接性。

DBC就是两面覆铜的陶瓷基板，而模块外面的铜区域是均质的。功率器件焊接在铜区域的内部结构上，类似于PCB。两个铜区域可提供相当于热扩散片的功能，因此热阻抗相比基于陶瓷的解决方案更低。这种技术也可提供2.5kV的隔离能力。

总结

实施环保设计指令及其相关法规是实现高能效应用的重要方法。这些指令和法规给半导体供应商带来了重要的商机，推动其开发高集成度高能效的解决方案，以满足这些法规的各项要求。