解决方案有助未来的能源利用

TECHNOLOGYedgeSMPowerWise®解決方案有助未來的能源利用P010P.3引言科技產品日趨普及，甚至成為我們日常生活的一部分。我們的家電或其他儀器設備都要倚靠動力推動，而動力的來源可以是地下化石能源，也可以是來自大自然的力量。若果沒有這些動力源，以及將之轉化為有用動能的正確方法，世界上許多倚靠科技才可順利展開的活動都會馬上停頓。1908年，WillianA.Smith曾說：「工程學是一門與經濟有關的科學，其核心問題是如何妥善保存蘊藏在大自然之中的動能及位能，以便供人類使用。工程學主要研究如何善用能源，以便將浪費減至最少。」早在20世紀初，工程界便已關註善用資源的問題，當時的共識是好的工程師必須懂得珍惜資源。目前這個共識已成為工程師的工作守則。以電子系統來說，電力的供應並非無限。此外，電子產品的耗電之中許多都轉化為無用的熱能而耗散掉。試想想我們的互聯網，背後其實有無數服務器將網絡緊密聯繫一起，默默支持各種網上活動。以龐大的刀鋒服務器運作中心為例來說，每間這樣的服務器運作中心共有超過10,000台電腦，每台電腦大約耗用200W的電力，而且空調的耗電還未計算在內，因為空調系統必須日夜開動將電腦耗散的熱能散發到戶外。此外，預計未來一代的互聯網必須傳送大量串流視頻，因此若加上這方面的耗電，數字將會更為驚人。環顧世界各地，越來越多國家有能力為其人民提供互聯網服務，因此預計這方面的耗電將會持續上昇。美國國家半導體早已洞悉這個發展趨勢，因此一直致力於開發高性能、低功耗的產品。這類有極高性能/功率比的產品都採用PowerWise這個品牌名稱。美國國家半導體的每一系列產品都有採用PowerWise作為品牌名稱的芯片，其中包括接口產品、高速數據轉換器、通信芯片以及穩壓器。美國國家半導體的芯片產品要符合甚麼資格才可採用PowerWise這個品牌名稱？我們可以通過相關的性能指標瞭解其中的評估標準。性能/功率比衡量汽車優劣的指標其實非常簡單，我們只需根據每加侖汽油的行走哩數(MPG)或每公昇汽油的千米數(KPL)便可進行評估。由於汽油價格不斷攀昇，而汽油是目前最方便攜帶的能量儲存載體，因此這個燃油效益指標便顯得日益重要。基本上，這個指標的背後理念與電子系統的性能/功率比不謀而合。對於工程師來說，這個概念可以有兩個不同的詮釋：亦即功耗可以很低但熱能耗散量則極高；另一方面，也可解釋為同樣的功耗可以支持更高的性能。降低功耗有明顯的好處，例如，更符合經濟效益(亦即更低的能源支出)，但另一方面，也可延長電池壽命(亦即便攜式錄音機可以長時間播放音樂)。低功耗還有另一不大明顯的優點，那就是電子產品的使用壽命較長，減少因電子零件過度受熱而令器件很易受損。環境溫度越低，產品或系統的使用壽命就越長，總體成本也越少，因為無需經常添購新產品替換損壞的舊產品。部分電子裝置必須沿用原有的設施或符合原有的規定，例如在原來的地方安裝採用全新設計的產品，但功率與散熱能力要符合原來的規定。安裝有線電視的機頂盒便是個典型的例子。新裝置的外型大小可能與上一代的產品大致相同或較小，而直接影響散熱量的功率則可能沒有分別或作者：RichardF.Zarr,ChiefTechnologist專論文章PowerWise產品介紹、性能指標、專論文章、應用技術資料及設計工具網站：national.com/CHS/powerwise延長電池壽命的技術專家更小體積、超多功能天籟音質、超清畫面用戶滿意、體驗昇級美國國家半導體PowerWise®解決方案不但性能卓越，而且功耗極低· 自適應電壓調節(AVS)技術可通過閉環電壓調節電路將動態和靜態電流減至最小，確保數字子系統以至整個系統的總功耗可以進一步降低· 自適應射頻功率輸出功能監控手機射頻功率輸出，並可以隨實際情況靈活調整射頻功率放大器的供電電壓，從而節省手機耗電· 紅綠藍光LED背光系統提供色彩亮麗的燈光，且功耗很低· 移動像素鏈路(MPL) 可減少電磁干擾，縮短互連線路及降低功耗· 內置D類(ClassD)音頻子系統的噪聲及靜態電流都很低，確保功耗可以減至最小· 模擬噪聲抑制技術可以抑制背景噪聲，確保傳送的聲音更 清晰、更自然，而耗電量則是內置數字信號處理器的方案的十分之一PowerWise®解決方案有助未來的能源利用PowerWise®SolutionsandtheFutureofEnergyUtilizationP.5稍低，但新的系統設計可能對性能方面有更嚴格的要求，例如一直使用的標準清晰度機頂盒會慢慢被淘汰，取而代之的是具備數字錄像(DVR)功能的高清晰度機頂盒。這些產品的設計大部分都保持不變，例如功率及外型大小沒有變動，但部分規定則需要修改，這是新設計的睏難之處。要成功實現這個設計，系統設計工程師必須採用性能更高、但功耗則相同或更低的元件。在這種應用情況下，性能/功率比越高便越能發揮其優勢。結構與工藝技術的相對重要性美國國家半導體一直很理解工藝技術的重要性。芯片產品的品質是否穩定，芯片能否以最低的功率發揮最高的性能，工藝技術的先進與否發揮很大的作用。美國國家半導體一直致力於開發創新的工藝技術，不但率先推出業界首款CMOS運算放大器，而且還成功開發低電壓差分信號傳輸(LVDS)通信芯片及低壓降穩壓器。芯片帶寬是否夠高，漏電量是否極少，這是決定半導體產品能否發揮卓越性能的關鍵因素。但這只是問題的一半。實現芯片設計所需的設計技巧及專利技術也非常重要，其重要性甚至不下於工藝技術。以美國國家半導體最新推出的ADC083000模擬/數字轉換器為例來說，這款PowerWise超高速、1GSPS以上的模擬/數字轉換器採用創新的折疊式轉換器拓撲結構，其優點是只需不足2W的功率便可支持3GSPS的採樣率，因此可大幅降低功耗，整體功耗遠低於其他轉換器結構如快閃轉換器。折疊式結構也具有靈活調整工作量的優點，相比之下，快閃轉換器的分辨度每提高1位，功耗便上昇一倍。系統性能與芯片性能的相互關係若單獨衡量芯片本身的規格參數，性能/功率比這個指標不一定能夠充分顯示芯片的優點，例如，芯片可以降低系統功耗的能力便無法充分顯示出來。手機的自適應射頻功率發射功能便是一個好例子(參看圖1)。只要採用LM3208芯片搭配LMV228功率檢波器，便可大幅降低功率放大器的直流功率(Pdc)。由於這兩款芯片可以大幅降低手機輸出級的功耗，因此美國國家半導體已將這兩款芯片歸入PowerWise系列產品之內。LM3208LDOPALMV226PowerDetectorANTSW50ΩCouplerVCCVREFV1VOUT4.7µFRF_TXTX_ONVBATT10µFTX_ONSWFBPVINVDDVCONVENPGNDSGND*R1,R2onlyrequiredifV1toVoutgainneedstobemodified3µHR1R2圖1.自適應射頻功率子系統*若不修改V1/Vout增益，便無需採用R1,R2PowerWise產品介紹、性能指標、專論文章、應用技術資料及設計工具網站：national.com/CHS/powerwise熱能減排環保衛士穩定性能更佳方案體積更小能源費用更少美國國家半導體PowerWise®解決方案不但效能卓越，而且功耗極低PowerWise 系列解決方案共有近 300 款產品，根據業界指標就 24 個產品類別所進行的測試顯示，PowerWise 產品效率都高於其他 競爭產品。如下是部分測試結果：· 低功率均衡器可將信號傳送距 離延長一倍以上，速度更高達 12.5 Gbps，而功耗則接近零· 同步開關穩壓器效率高達 95% 以上，最適用於負載點電源轉 換系統· 高電壓PWM控制器可將輸入電壓提高至 100V，且效率可高達 85% 以上· 高精度溫度傳感器採用 TruThermTM 技術，令誤差局限在 0.75oC 之內，有助於準確控制溫度及扇速 低功耗NoEqualizationWithEqualization2xDistance0.50.40.30.20.10DJ(UI)051015202530FR4Length(in)12.5Gbps的DS80EP100低功率均衡器：性能分析圖PowerWise®解決方案有助未來的能源利用PowerWise®SolutionsandtheFutureofEnergyUtilizationP.7提高效率的工具美國國家半導體還有另一標準，以決定某一芯片應否歸入PowerWise系列之內。這個標準很簡單，我們只需知道該芯片是否有設計工具協助簡化其設計流程便可。部分芯片必須倚靠設計工具，才可將其性能/功率比提昇。除了大部分開關穩壓器之外，還有很多其他產品都屬於這類芯片。工程師可以利用WEBENCH®設計工具設計電源供應系統，他們只需利用其中的按鈕輸入要求的性能，讓設計工具根據輸入的數字進行計算，以確定相關參數大小(例如元件大小)，以便工程師可以在各相關因素之間作出明智的抉擇。第4代PowerWiseSIMPLESWITCHER®系列芯片(即LM25576)便是個好例子。這系列芯片可獲WEBENCH設計工具支持，工程師可以利用這套工具精簡及優化系統設計，例如可以按照自己的要求在轉換效率及方案大小之間作出取捨(參看圖2)。專利技術及系統知識美國國家半導體一直致力提供各式各樣的系統解決方案，以提高模擬電路以至數字核心的性能/功率比。許多移動電話的數字核心都採用美國國家半導體的自適應電壓調節(AVS)技術。由於這種技術可以支持處理器及外置的電源管理單元(PMU)如LP5552，因此是真正的系統解決方案。處理器核心可以利用這種專利技術，不斷監控系統的性能，然後靈活調整供電電壓及偏壓，以便大幅降低數字處理器的功耗，降幅甚至高達70%。採用自適應電壓調節技術的PowerWise產品可以不斷實時調整工作電壓，以確保系統可以發揮最高性能的同時，又可將功耗減至最少，讓兩次充電之間的操作時間可以大幅延長。由於數字工藝技術越趨精密，加上芯片體積不變而晶體管的數目則不斷增加，因此靜態功耗所占的耗電比重已超越動態功耗。以前的芯片都採用90nm以上的工藝技術製造，因此內部電路的漏電情況還不十分嚴重。但現在的工程師要開發更精密的工藝，因此採用自適應電壓調節技術的PowerWise解決方案可以幫他們解決這個問題，以便大幅降低靜態功耗，這樣不但可以延長電池的操作時間，而且還可降低系統的整體功耗。參考設計對於工程師來說，參考設計非常重要，因為有關建議可以幫他們改善構思中的設計，尤其是工程師要同時兼顧功耗與性能。許多棘手的設計問題，例如選擇適用元件、正確的元件擺放位置、以至佈局與布線，都可在這些參考設計中找到答案。美國國家半導體一直致力於協助客戶開發高性能的模擬系統，從中纍積了豐富的經驗，並利用這些知識建立了一個參考設計數據庫，讓工程師可以參考不同的系統設計，從中明白怎樣的設計才可確保系統能充分發揮其性能。ADC083000參考設計是這個數據庫最新添加的一款設計，這款設計不但採用全套可支持測量儀錶如示波器及自動化測試儀器的模擬前端(AFE)電路，而且其中的信圖2：WEBENCH設計工具的性能優化控制功能PowerWise產品介紹、性能指標、專論文章、應用技術資料及設計工具網站：national.com/CHS/powerwise技術可靠性能提昇性能更高功率更低元件更少美國國家半導體PowerWise®解決方案不但效能卓越，而且功耗極低PowerWise 系列解決方案共有 近 300 款產品，根據業界指標 就 24 個產品類別所進行的測試顯示，PowerWise 產品效率都 高於其他競爭產品。如下是部分測試結果：· 高速模擬/數字轉換器的性能/功率比高於同級的競爭產品，且每次轉換所需的功耗都低 於 2.5 pJ· 運算放大器增益帶寬高達 12 µA/MHz· 定時電路抖動極小，功耗超低，而數據轉換性能則極高· 同步開關穩壓器效率高達 95% 以上，最適用於負載點電源轉換系統美國國家半導體ADC12EU05012位連續