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功率技術/新能源  

運用新科技滿足未來能源應用趨勢

上網時間: 2009年03月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:能源  PowerWise  節能 

無論能源仍被蘊藏或已被開採,無庸置疑地,能源驅動了現今科技文明的發展,我們需要能源來運轉所有的機器。如果缺乏能源或是缺乏將能源轉化為電力的適當技術,我們的科技世界將無法運作。1908年,William A. Smith曾指出,“工程本身就是節約大自然能源的經濟科學,包括動能和位能,以提供給人類使用,而工程的目的就是運用能源,並發揮最大的效益,並將浪費的程度減至最低。”

在20世紀初期,節約有限的資源就被視為工程應用的良好示範,但時至今日,節約已被視為必需。在現代的電子設計中,電能已經被視為有限量的商品,此外,大部份用來操作電子裝置的電能最終都以熱力的形式被浪費,當中並無任何的貢獻。

以網際網路及行動電話的基礎建設核心為例,一個大型的刀鋒伺服器機房可以容納超過一萬台電腦,每台大概消耗200瓦的功率,這還沒有計算要將電腦產生熱能排出機房外所需空調系統的耗能。如果再加上未來串流視訊及行動視訊所需的耗電量,這種能源消耗的上升趨勢將隨著各國資訊科技的普及而持續。

本文將以美國國家半導體一系列PowerWise節能產品為例,說明如何滿足全球對節省能源日益高升的需求。PowerWise的範圍包括運算放大器到高速資料轉換器,從通訊裝置到電源穩壓器等均包含在內,首先,將從效能指標的評估開始討論。

功效比

評估汽車最簡單的測量方式是每加侖汽油可行駛的哩程數(或稱MPG等級)。隨著汽油(我們現有的基礎建設可攜能源儲存媒介)價格的上升,這種測量方式變得更為重要,而這種概念則與我們所討論的功效比如出一轍。功效比對工程人員來說有兩方面的意義,一方面是減少功耗及所產生的熱能浪費,另一方面則是在相同功耗下發揮更高的性能。

低功耗最明顯的優點是提高經濟效益(減少在能源上的花費)或是獲得更長的電池續航力(可延長可攜式音樂播放器的播放時間)。另一個較不明顯的效益便是降低電子產品過熱的問題,以延長產品的壽命。溫度的上升可能會導致半導體材料出現疲勞的問題,因此環境溫度愈低,產品的工作壽命就愈長,使得替換週期變得更長久,達到節省成本的目標。

另一方面,有些新的設計可能受限於先前的開發資源(例如是空間、功耗和散熱能力等),最典型的例子是有線電視纜線機上盒或STB。這類裝置的實際體積大小可能與上一代的型號相同或甚至更迷你,而功率(直接與所浪費的熱能有關)也必須與上一代機型相同或更低,但新設計的性能必須比上一代更好(例如從標準解析度的STB轉換至HDTV或甚至加上DVR功能)。由於資源沒有改變,功率和實際體積空間也一樣,因此設計的變化便往往為設計人員帶來很大的挑戰。要克服這個困難,設計人員便需使用更高性能的元件,這些元件的功耗必須跟以往的元件相同或更低,以便展現出提高功效比的優點。

架構與製程技術

對半導體來說,高頻寬和低漏電製程技術是半導體邁向整體高性能的關鍵,但這只是事實的一部份。事實上,實現元件設計的技術和專利與製程技術本身同等重要。舉例來說,PowerWise中的超高速Giga取樣類比/數位轉換器ADC083000便採用了一種新的折疊轉換器(folding converter)拓樸,將每秒3Giga取樣率的取樣功耗降至兩瓦。此外,折疊式架構還有靈活調節解析度的優點,相較之下,快閃轉換器(flash converter)的解析度每提高1位元,功耗便上升一倍。

系統與元件的關係

另一個常被忽略的功效比衡量因素,是元件本身的規格參數。功率放大器中的SuPA或是開關器單元(如圖1所示)就是一個實例。採用LM3208和LMV228功率檢測器,功率放大器的直流功耗(Pdc)便可大幅降低。這兩款PowerWise節能晶片均可降低行動電話輸出級的整體功耗。

圖1:LM3208功率檢測器架構圖。
圖1:LM3208功率檢測器架構圖。

藉設計工具強化效率

除了元件本身以外,還有一些輔助方法可使元件更加高效,即在開發過程中運用的最佳化工具。經由適當的工具協助,可以讓元件發揮更高功效比,這些工具可以廣泛地應用於大多數元件,並不侷限於開關電源穩壓器。美國國家的WEBENCH便是一個以網頁為基礎的設計工具,它可讓設計人員按照所需的效能等級對其他參數進行調整(如元件尺寸),以得出最佳的電源供應設計方案。


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