09年技术挑战及发展机遇展望

尽管今年全球经济形势出现了一点波折，但不等于没有商机，本刊认为，太阳能发电、LED照明、绿色电源、3G智能手机、高清网络电视、汽车信息娱乐系统和HID前灯将成为今年的增长新亮点。随著全球政府和消费者开始意识到气候变暖的不利影响而开始增强自己的节能环保意识，业界目前采用了两条腿走路的发展策略，即立足于挖潜，寄希望于开源。挖潜就是尽可能地开发耗电更小的新一代器件或设备，开源就是全力发展以太阳能、风能、LED照明和燃料电池为焦点的绿色能源产业。其中光伏产业最具发展潜力，LED照明也是一个新的增长亮点，它目前尚待克服的技术挑战是大功率LED的发光效率、成本和终端产品的散热问题。商用化的燃料电池技术目前已接近成熟，其尚待克服的主要技术挑战是尺寸和重量。3G(包括TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000)通信产业差不多已成为包括中国在内的全球各主要国家的鸡肋，尽管其最佳的市场窗口期已过，但巨大的资金投入逼得各国政府要去推动这个产业的发展，但它到底能在多大程度上获得终端消费市场的正面回应则是一个谁也说不好的问题，预计3G智能手机将是该市场唯一能看得清的增长亮点。HDTV的发展也差不多遇到了同样的问题，尽管包括中国在内的全球主要国家均制订了或确定了要采用的DTV技术和广播标准，但它的高价格在当前的市场氛围下肯定对大众消费意愿有不利影响，HD内容开发的相对滞后又增强了HDTV不明朗的市场前景，而这将反过来进一步降低消费者购买HDTV的欲望。此外，随著互联网上HD视频内容的越来越多，消费者的兴趣可能更多地转向高清网络电视。汽车仍然将是2009年具备高增长潜力和相对较高利润的一个消费应用，尽管不少汽车制造商传出亏损信息，但这更多是汽车产业自身重组的一个问题，未来消费市场对中低端汽车的需求肯定还有很大的增长空间，如何用最新的电子技术来制造出更低成本、更节能和更具个性化的汽车将是一个总的发展趋势，最具发展潜力的应用将包括电子发动机防盗、GPS或北斗导航定位、胎压自动监测系统、自适应汽车前照灯系统、防夹电动车窗和HID前照灯。一.绿色能源编者按：节能环保已成为当今社会的普遍关注话题，它也已成为新一代电子产品开发的总的指导原则。目前整个电源业界正在三个方向上并行努力，以求开发出能使消费者具有更佳使用体验的个性化电子产品。这三个方向分别是：开发功耗更低、效率更高、特性更丰富的高品质电源元件，研究发展更新的电路设计技术来降低各种负载条件下的功耗，以及开发天然清洁能源(如太阳能和风能)来替代储量日渐耗竭的化石能源。最后一个方向尤其被誉为今天的朝阳产业，中国、日本和美国政府都投入了大量的资源来发展光伏产业，并将它作为一个战略性产业加以政策上的倾斜支持。如中国政府已经决定把大连长兴岛建设成为全球首个全部使用太阳能发电的地区，在内蒙建设大型太阳能发电站，并开始建设太阳能供电示范小区。所有这一切均意味著绿色能源产业将是未来最有增长潜力和市场空间的支柱性产业，蕴含无限的商业机遇。环保风潮下的电源发展趋势无论是对个人还是企业用户，PC都是很重要的能耗源。多数人以为，采用低功耗CPU、存贮器、芯片就可以替计算机系统省电，但其实真正耗电的是‘电源’！PC所需电源功率和功耗愈来愈高，市面上不少电源的功率已经接近1,000瓦。因此，由转换效率不高造成的能源浪费更为严重。一般人很难分辨出电源的质量优劣，因此第三方认证机构就显得格外重要，其中在PC类最令人关注的就是‘80PLUS’新标准，它已成为电源产业衡量产品效能的重要标准。80%转换效率只是目前对电源效能的基本要求，以更长远的眼光来看，在未来克服技术与相关零组件等难题后，电源转换效率势必要达到高于80%的水平。整体来说，采用主动式PFC的电源的重量，比用笨重组件的被动式PFC产品轻巧许多，符合消费性电子产品轻薄设计趋势；且主动式PFC提高功率因子值可达95%以上，被动式PFC约只能改善至75%。采用主动式PFC比被动式PFC能节约更多的能源。此外，小型化也是未来电源的研发趋势。电源产业将朝节能、小型化2个大方向发展。LED电源、太阳能转换器以及电池储能等相关零组件领域的新产品开发是未来电源发展的方向。高亮度LED最主要的问题是怕热，且高热会使LED光衰竭。估计2~3年就可能开始看到LED照明逐渐普及，这一领域的电源应用也必将得到长足发展。绿色革命绝不可能“一蹴而就”遗憾的是，在现今的市场上，纯电动汽车还不是一种可行的解决方案，原因是其行驶距离受限于车上所能储存的能量。目前的电池系统相当昂贵而且庞大，且存在可靠性和安全方面的问题。下一代电池系统将提供较高的能量密度，旨在实现外形较小、价格较低、可靠性和安全性更高的解决方案。对于高功率电池应用而言，锂离子电池可作为首选的化学电池，这主要是因为它具有高能量密度。当今的电动汽车和油电混合动力车采用的是NiMH电池，而转用锂离子电池将使能量储存密度提高400%。然而，为了使锂离子电池在多达数千次的充放电循环过程中保持可靠，电池系统必须解决诸多技术难题。采用锂离子电池来制作一个高电压电池组的挑战并非微不足道。不能像对待单个电源那样来对一个锂离子电池组进行充电和放电。如果不对每个电池的充电状态进行周期性的均衡或平衡处理，则有些电池最后将发生过度充电或过度放电的现象，从而造成受损，并最终导致整个电池组发生故障。因此，一个电池控制系统必须谨慎地管理每个电池。可以把这个问题划分为数据采集和控制两个方面。控制方面包括根据系统数据来对每个电池进行充电和放电的算法和方法。数据采集通过电池组接口来完成，该接口必须沿着高电压电池组快速而准确地一一测量每个电池的电压。这需要具备从一个0~1,000V以上(当您提升电池组电压时)的共模电压中抽取一个小差分电压的能力。这是一个棘手的难题，需要把多种高性能模拟功能组合起来。电源设计的主要设计挑战在电源设计中，主要的设计挑战在于如何提高正常工作模式和待机模式下的效率。IC设计在方法上必须不断推陈出新，以应对电源尺寸日益缩小和开关频率逐渐提高的趋势，同时也不能增加开关损耗。在服务器、笔记本电脑和负载点(POL)应用方面，IC器件必须在轻、中、重载情况下都能够提供高效工作。在便携式应用方面，如何在更小的外形尺寸中提供高水平的功能性，并延长电池寿命，仍将是设计人员面临的艰巨挑战。对于噪声敏感应用，比如工业设备，抗噪能力是十分重要的，因此IC器件必须具有很高的静态和动态共模抑制能力。此外，IC还应该具备更强的抗EMI能力。在电源方面，飞兆半导体的产品能够显著提高电源在正常工作和待机工作状态下的效率。其中，高集成度绿色FPS开关FSFR2100采用零电压开关技术，能够大幅降低MOSFET和整流器的开关损耗。FSFR2100具有突发工作模式，能把待机功耗降至1W以下，轻易满足业界的1W倡议要求。我们开发出的高度集成的同步整流器模块FPP06R001具备很高的效率，这有助于电源设计满足下一代能源之星标准的要求，即规定电源在正常输出负载条件下必须达到85%及以上的效率。至于照明应用，我们有用于紧凑型荧光灯(CFL)和线性荧光灯(LFL)设计的高度集成的镇流器IC产品FAN7710和FAN7711。这些器件在单个解决方案中整合了高端栅极驱动器、550VMOSFET、频率控制电路和分流稳压器。在高效率的CFL和LFL照明应用中，这种高集成度方案能够克服空间限制问题，并优化性能。在不同负载条件下实现高能效电源管理的焦点仍将是利用技术以使用更少的电能来实现现有的应用功能，从而提升能效。世界各地政府/机构的能效规范标准在不断演进，加上消费者对高能效意识也日趋增强，推动着企业探寻更好、更独特的方案来满足和超越能效标准。客户将需要开发在不同输入电压和负载条件下都具有高能效的电源和电源适配器。安森美半导体领先业界，不断推出具备低待机能耗、高电源工作效率和功率因数校正(PFC)的解决方案。此外，我们的GreenPoint为高能效内部及外部电源提供公开源参考设计，采用这些参考设计开发的相关产品已在生产。通过利用这些获得验证可行的产品和设计技术，客户能够快速地开发符合世界各地新兴能效规范标准的消费类产品。GreenPoint参考设计包括用于300W计算机ATX电源、8W数字至模拟(DTA)适配器、50W机顶盒(STB)、160W阴极射线管(CRT)电视和220W液晶电视(LCDTV)电源，以及5W、16W、40W、90W和200W电源适配器。在2009年，安森美半导体将继续致力于帮助客户简化其设计周期，令设计符合不断演进的全球高能效的规范标准，并为世界各地的客户提供更加绿色环保的电源和电源适配器解决方案。未来的节能趋势与解决方案20世纪初期，节约能源的工程只被看作是良好的措施。但时至今日，此类节约工程已被视为必需。新的设计要求在同样的空间、功耗和耐热能力下提供更高的性能，如从标清STB过渡至高清STB或加上DVR功能。由于资源没有增加，功耗和物理空间也一样，因此设计的变化往往为设计人员带来更大的挑战。要克服这个困难，设计人员便需采用更高性能的元器件，这些元件的功耗必须跟之前的相同或更低，以便体现出提高性能/功率比的优点。近年随着互联网收音机、互联网电视、互联网电影、互联网音乐、IP视频电话等应用的兴起，互联网上出现了一种侵占大量频宽的多媒体，称为串行视频流。随着消费者对IP网络上的视频需求越来越大，不单基础设备会受到影响，而且还会波及终端设备。目前需求日益热切的移动视频串流不单压缩率更高，而且还要求高的音质。这些额外的功能意味着需要消耗更多的电力。在不久的将来，带有音频内容的串行视频流将会在互联网上大行其道，那时的手持设备不单具备视频录像和回播功能，而且还可实时播放串行视频流，这便需要更低的延迟和更大的频宽。这些新的功能需要大量增加基础设施以及设备本身在处理时所需的功耗，因此性能/功率比便极为重要。为了满足市场对具有极高性能/功率比的电子器件的需求，NSC成功开发出了PowerWise节能系列产品。超低电流隔离型开关电源实现挑战在非连续传输的通信系统中，开关电源常常需要工作在一个相互矛盾的条件下，即要求输入和输出之间保持较高的隔离度和静态电流极低的待机模式。由于工作状态下消耗的功率远远高于待机功耗，这样的组合要求增大了设计难度。由于需要在隔离和低功耗之间进行折衷，目前商用化的电源模块几乎都不能满足这样的要求。无线通信在过去5年发生了突飞猛进的增长，并将继续保持增长势头。目前，包括小型无线监测和控制设备在内的监控需求也越来越多，这样的设备必须满足苛刻的尺寸和功率要求。为了满足这些要求，集成供应商必须通过高度集成的芯片来降低系统尺寸和功耗。无线通信设备供电电源的一项重要指标是延长电池的使用寿命，主要设计目标是在保证无线通信系统性能的前提下降低功耗。综合上述条件，需要考虑以下设计特点：1.非连续收发；2.电源滤波或稳压；3.高效电路拓扑。上述第一个特点取决于传输系统，第二个要求可以通过开关电源实现，而第三个要求则由开关电源本身的功耗决定，另外还需要尽可能减小待机功耗。电源的效率非常关键，因此需选择最佳拓扑的开关电源。目前市面上有很多商用化DC-DC转换模块，但这些模块不能满足无线通信设备供电电源的目标需求：即空载时保持超低功耗。即使是非隔离电源在空载时也会消耗相当大的电流，我们的目标是在空载条件下将电源电流限制在12mA以内，此外，我们还需要提供隔离，以保证在恶劣环境下为系统可靠工作提供必要的保护。绿色电源要求低功耗MCU绿色电源是所有应用所必需的，而不仅是过去所指的手持式和电池供电系统。在保护环境生态的大前提下，电力线供电系统及电池供电系统的节能都是必不可少的，对中国来说，这更可以带来特别的优点：降低燃煤发电站的负荷。绿色电源不仅要求其控制核心具备低功耗特性，而且还要求它具备一些能进一步降低系统功耗的特性。这意味著标准微控制器(MCU)不可能是绿色电源的理想控制核心，因为采用标准微控制器的系统设计会受到软件的限制。爱特梅尔的低功耗AT91SAMARM微控制器则是一款为绿色电源量身定做的MC