绿色半导体技术的最新发展趋势

绿色电源技术是业界探讨极为广泛的话题。一直以来，很少有电子设计领域会轻率对待功率消耗问题。事实上，大多数设计人员竭力将功耗降至最低，使其产品优化。然而，随着“绿色电源”概念伴随“智能电网”一起涌现，我们发现此概念涵盖的范畴已经不仅是功耗。实际上它是设计社群与最终用户的一种观念变更。就最基本的层面而言，“绿色”表示高能效。因此，在这越来越以电池操作装置主导且“电网”电能供应有限的现今世界，消费者都变得共同关注他们的用电量(见图1中的房屋横截面图)。与此同时，设计人员迫切需要提升电池使用时间、功能组合、速度、精确度、通信及用户可执行信息(actionable information)等所有方面的表现。可惜，如今很少有产品为用户在某种特定装置或产品正实际消耗的功率方面提供较多的智能型反馈或详细信息。此种演变为设计人员带来了更大的挑战。用户期望的功能日益增多，但同时必须降低功耗及成本。因此，关键问题已经变为“当设计公式中常常有相互冲突的变项时，设计人员能如何提供领先的性能？” 

HVAC Control 供暖通风空调(HVAC)控制 、Security System 保安系统 /Kitchen Appliances 厨房电器、White Goods 白家电、 Lighting Control 照明控制/ Sprinkler & Irrigation Systems 洒水及浇灌系统、Energy Management 能源管理

具体而言，您如何在增添如通信等传统的功率密集型功能的同时降低总功耗？又或是，您如何能不消耗功率却又精确地计量功率及整合信息？唯一现实的答案就是必须细究设计的每个方面。目前主要是在照明/背光(lighting)、微处理器及显示面板等领域取得进展。然而，计量(metrology)及通信领域有许多元件可供选择，但提供超低功耗(某些案例下电流消耗低于1 mA)的极少。许多先进产品都有运动(moving)元件，故电机驱动器能效的影响迅速成为可以大幅改善的领域。通信、计量及机电系统为系统工程师提供了极佳机会，让他们能够坚实地改善功能、功耗及总体系统智能。 

通信基础设施位于“绿色能源”的核心位置。电力使用者及电力提供者手中要获得详细及可执行的信息，家庭局域网(HAN)和邻里局域网(NAN)中完全连接的生态系统必不可少。在许多地方，电力线通信(PLC)方案已经成为网络节点之间高可靠性通信的首选方案。AMIS-49587 PLC调制解调器(modem)业已成为适中数据率PLC通信的标准，而安森美半导体则持续在此领域开发更多产品。下一代PLC收发器的波特率(Baud Rate)大幅提升，同时功耗维持在现有方案的水平。 

Watchdog 看门狗、Power Regulator 电源稳压器、Charge Pump 电荷泵、Interface 接口、Logic & Registers 逻辑及缓存器 

SLA 速度及负载角(SLA)、Stall Detect 停转检测、Positioner 定位器、Translator 转换器、Current PWM Regulator 电流、PWM稳压器、Pre-driver 预驱动器、Driver 驱动器、In all products 所有产品皆含此功能

在“绿色能源”领域，无线方案正变得更加常见。令人意外的是，射频(RF)收发器的最主要功耗源是在接收部份，需要采用数字信号处理技术来管理此特殊协议堆栈(protocol stack)。某些系统架构要求配合多种协议堆栈，还可能要配合复杂的加密算法。“无线”(over the air)更新使RF收发器面临的要求进一步复杂化。像安森美半导体这样的公司正在开发下一代的无线电方案，旨在同时应对物理层和协议堆栈的功耗问题，从而推进各自技术及适配能力(adoption)。某些无线通信标准正在演进之中，将会减轻信号处理链上的负荷，同时维持集成的灵活性及带宽。最后，系统设计人员有责任在平衡协议复杂度、工作周期(休眠、“监听”(sniff)、发射、接收等)方面的优化。 

我们还注意到，受更先进半导体技术及接收信号链某些架构级改善的推动，接收模式的电流消耗已经逐代稳步下降。大多数“智能电网”或“绿色电源”方案在其特殊网络内部并无太多量的数据移动，但也有一些较低载波频率的数据移动。这就提供附带优势，因为方案的频率较低，不仅降低功耗，而且改善信号传播。专用无线电的出现就不可避免了，因为功率要求迫使设计人员放弃一般用途无线电，以此避免过多可编程性及寄生闲置(inactive)电路带来的功率负荷。 

功率计量设计领域的技术一直由传统交流电表推动。这些传统案面往往是内嵌微控制器的较大系统级芯片(SoC)元件。此类方案有一项关键不足：微控制器。乍听起来，这可能有违直觉，但每个微控制器(若适用的话，则是每个内核)在某个时刻仅时执行一个指令。某些指令要求的系统频率周期不止一个，引入随机单元(random element)来执行代码。例如，可以尝试在您的计算机上以优于1 ms的分辨率执行某种软件功能，您可能会惊讶地发现，即使是使用频率达数千兆赫兹(multi-GHz)的处理器，实际上也不可能在没有某种精密定时的硬件介入(hardware intervention)的情况下维持一种周期性事件。  

绿色半导体技术的最新发展趋势

此问题的副产物就是相同频率时不可避免的错误。以SoC为基础的计量元件使用极富创新且常常是专有的方案来解决此问题。“绿色电源”计量的自然演进将是在精确度(accuracy)、物料单(BOM)复杂度及功耗等方面作出恰当平衡的优化计量元件。采用专用全同步处理及最佳采样精确度，可以最佳地实现这种演进。这确保后阶段处理任务(post processing)减至最轻，对最终方案的功耗有重要影响。安森美半导体正在发展带全同步采样及信号路径的下一代计量产品，能够提供功耗低于1 mW的完整计量方案。这就为设计人员提供极高的集成灵活性，而对功率预算的影响极轻。实时功率耗用信息不仅为最终用户提供可能会影响使用行为的可执行数据，也为系统设计人员提供有价值的诊断回馈。此种优化程度的一项意料之外的副产物是硅面积减小；由于不带占用大面积的微处理器和代码“闪存”(flash)只读内存(ROM)，此元件比传统方案明显更小及更便宜。  [!--empirenews.page--]

电机控制历史上一直受一项基本局限的束缚：您的设计必须顾及最恶劣条件的负载、温度及机电系统的物理退化(physical degradation)。最终结果是系统始终消耗最恶劣条件下功率。近年来，像AMIS-305xx和AMIS-3062x这样的进阶电机控制产品直接反馈电机的速度及负载角(SLA)(见图2——电机控制器产品功能小结)。这样就有可能实时知道电机上是怎样的负载力(load force)，并精密地调节驱动电流来对应负载力。这些电机控制器为设计人员提供内嵌自适应电机控制算法，确保机电系统在所有时刻都以峰值能效运转。此技术的成本近几个月来已大幅下降，而且在顾及到整体BOM时，集成带无传感器反馈的高级电机控制方案的成本如今已与传统方案不相上下。这使设计人员能够自由地实质性改善功耗及散热，且对系统总成本没有影响或影响轻微。安森美半导体已在其新系列的大电流步进电机驱动器整合相同的SLA技术，故在能效方面的潜在获益将很可观。AMIS-3042x系列步进电机驱动器整合了SLA技术、高分辨率微步进(micro-stepping)控制及进阶的MOSFET技术，BOM成本低，提供无与伦比的能效及价值(见图3——AMIS-3042x框图)。 

“绿色电源”的未来是提供丰富功能的连接型元件，能够自我监视，为用户提供高价值的运行信息。充分优化的专用标准产品(ASSP)将能够用于开发着重提升系统总能效的下一代电子产品。将设计中消耗功率最多的元件优化不再是必须之举。各个系统必须向下延伸至在晶体管级优化，从而在能效、成本及性能方面尽可能提供最佳的平衡。无线产品将持续演进，物理层的功耗将更低，但最实质的能效提升将在协议堆栈中获得，协议堆栈中将最佳地平衡可程序设计能力及固定逻辑功能，从而简化协议堆栈在特定应用中的整合。功率计量元件也在变化，从而以最佳的精确度、低成本传感器及大幅降低的功能符合新的市场目标。下一代计量方案将不再依赖于主控制器来处理功率数据。电机驱动器利用先进的功能，如电机速度及负载角(SLA)反馈以提供最恰当的驱动电流，为降低功耗提供了重要机会。这在可以节省数安培电流消耗的大功率/大电流电机中尤为真切。“绿色电源”领域唯一可以确定的是设计人员将继续推动其设计的性能极限，为最终客户提供更高等级的性能和能效。 

作者: 安森美半导体产品线经理Matthew Tyler