在全球陷入能源危機,油電雙漲的經濟壓力下,綠色節能已經是當前生活上最重要的議題。跟”電”最有關係的電子產業也掀起綠色產品研發思潮,其中半導體產業更是扮演火車頭角色,將低功耗設計列為主要開發策略。除了自發性往綠色科技發展外,當前最讓外銷歐美的廠商緊張的是歐盟一系列綠色環保法規的制定,如WEEE,RoHS,EuP與REACH等其目的皆在於嚴格規定電子產品需符合環保無污染的材料使用以及低耗電,而美國的能源之星(Energy Star)法規也陸續有新的規格制定施行。歐美兩大市場的環保法規因為都有訂定施行時間,時間的迫切性讓半導體元件產業以更積極的作為,力求加速低功耗技術的發展,以便讓系統週邊設計廠商能及時推出低功耗產品。本文將從IC設計的上游-EDA工具到電源轉換器,類比,音訊,微控制器等五塊領域的主要廠商對節能技術的進展做一番介紹,至於由Intel與AMD主導的PC級處理器朝低耗能發展已廣為人知則不在本文討論之列。
因應低功率設計挑戰Synopsys有對策
在深次微米的晶片設計過程中,先進的低功耗設計技術如MTCMOS 電源閘控,多重電壓,DVFS(動態電壓頻率調整)等可顯著降低功率耗損,但相對低也讓設計工程師面對比以往更耗時且高風險的驗證與實作。
身為EDA(電子設計自動化)工具領導廠商,新思科技在低功耗設計的對策上負有引領產業的使命,早在2004年即投入低功耗合成技術,到2008年累積的低功耗技術達19項之多。2007年新思與ARM共同提出電源管理最佳化參考方法,今年一月更與Magma與Mentor Graphics三家友商共同推出支援UPF(Unified Power Format)1。0版低功耗標準的EDA工具。UPF是Accelera這家公司擬定的共通功率語言的業界標準,已提列為IEEE-P1801標準,目前半導體大廠支援UPF語言的陣容顯然多過由另一EDA大廠Cadence支持的CPF(Common Power Format),這跟新思與ARM共同力推有很大的關係。UPF陣營成形的最大意義應該在於向來封閉的EDA產業因為低功耗設計的共識,朝向開放之路前進。
日前該公司推出全新低功耗解決方案-Synopsys Eclypse™ Low Power Solution,可針對系統級有低功耗需求的晶片設計開發,提供驗證(verification),實作(implementation)與簽核(sign-off),IP,設計方法及設計服務等支援,可說是當前業界最完整的低功耗解決方案。
標竿廠商的多重市場節能策略
National Semiconductor
PowerWise這個logo已經成為美國國家半導體對於節能策略的主軸, 日前該公司為了進一步鞏固在電源管理及高能源效率產品市場上的領導地位,宣佈正式啟動一個PowerWise效能指標釐定計劃,藉此協助客戶進一步提高系統的能源效率,以便減少系統的耗電與熱能產生,縮小產品體積,以及延長電池壽命。
從系統的層面來說,美國國家半導體有兩大類產品可以解決客戶的能源效率問題,其一是PowerWise 系列晶片,另一類是獨特的系統解決方案。後一類的系統解決方案採用已註冊專利的技術,並以晶片或授權的形式提供客戶使用。美國國家半導體的PowerWise系列產品目前共有大約300多款晶片,其中包括高能源效率的電源管理晶片、運算放大器、介面產品以及資料轉換器。
這套PowerWise效能指標是讓系統設計工程師可以輕易比較與選擇不同類比元件及子系統的能源效率。美國國家半導體對電子產品的功耗及效能都有嚴格的規定,並率先就此制定新的標準。例如,該公司根據不同產品的特性採用不同的簡易算式,並結合多種普遍採用的測量方法,然後透過測量及運算,確定24個產品系列的效率規格。National期望透過PowerWise效能指標計劃,彰顯該公司對所有PowerWise產品高效率低耗電效能的自信,成為綠能半導體產業中的旗艦企業。
NXP
歐系半導體大廠恩智浦半導體對於推動綠色產品付諸許多心力,該公司提到:當我們提到防止能源浪費及市場上的綠色趨勢時,有三個值得注意的地方:生產製造,使用中(或操作效能)與產品生命結束(使用後)。為了支援產品生產製造及使用後處理的階段,恩智浦領先於市場導入最新的設備與原物料改變,例如RoHS,Pb-free及green plastics,以確保所有客戶及恩智浦本身都能達到各國相關的法規要求。
恩智浦對於節能下了如表1的定義:
更低的開關損耗(離散元件)
在一個可滿足需求且效能提升的範圍內,降低電源消耗(更低的Vcc或Icc
增加電源管理功能的效率
管理大型系統的能源格或管理電池的壽命,如關閉未在使用中的高耗能設備
使用綠色電源:如油電混合車;太陽能/風力發電/水力發電
使綠色替代產品能取代現有產品應用:如LED燈和光燈
用E-MAIL取代郵件,以及可取代商旅的視訊會議
減少現實生活中的總體消耗物料(包裝,矽, 金屬,塑膠)
產品微型化,以減少產品尺寸大小及重量
為了在晶片應用達到節能的目標,恩智浦除了在製造過程有永續性計劃外,對於使用過程,亦專注於低功耗SoC與系統解決方案的創新,在使用後階段,則有深綠計劃,提供無鉛封裝,達到無鹵及無銻等有害物質的目標。
在今年COMPUTEX中,恩智浦便展出一系列節能多重市場半導體系列,在電源與照明方面包括90W筆電轉換器(TEA1751+TEA1761),桌上型電腦電源專用的85+解決方案(TEA1771+TEA1781+TEA1782),32”LCD TV電源與變頻器(高電壓輸入)整體解決方案(TEA1532+UBA2071),>250W LCD TV電源解決方案(TEA1511+TEA1522),以及60W LCD顯示器(15”-22”)電源與變頻器整體方案。同時還有AC/DC驅動IC(SSL 1750與SSL1523),DC/DC驅動IC(UBA3070),周圍燈光感測器驅動IC(UBA305x),PoE驅動IC(TEA1311)等新品。除了前述之外,該公司亦展出三極管(GA),MCU(如數位相框)與介面(如Ms。DiDi-- DisplayPort toDVI/HDMI轉接器)等產品線。
照片說明: NXP全世界第一個得到EPRI認證的85+ Solution
TI
DSP與類比半導體龍頭的TI德州儀器對於壯大電源管理這塊市場的實力不遺餘力,併購策略不間斷,不久前又併購了愛爾蘭公司Commergy Technologies,該公司為電源參考設計業者,專門致力於節能與精簡架構的設計,其開發出效能極高的電源供應解決方案,例如筆記型電腦轉接器解決方案符合且超出最新 ENERGY STAR 及「電腦產業拯救氣候行動計劃(Climate Savers Computing Initiative)」建議的 PC 標準。此併購將擴展TI 在提昇現今終端設備設計電能效益的重點業務,尤其是在交流電轉接器、高功率密度運算以及伺服器系統的設計。
TI 運用本身的應用知識及高效能類比製造能力,提供各式單項及整合式電源管理解決方案,以因應任何可攜式或線路供電的電源設計挑戰,涵蓋範圍從行動電話及可攜式醫療設備,乃至於電信、工業及運算應用裝置等。例如該公司日前推出業界第一款單晶片雙插槽熱插拔管理器,可廣泛應用於無線、電信及運算系統專用的AMC卡 (AdvancedMC™),包括自訂的 AdvancedTCA (ATCA) 及 MicroTCA 系統。對於 3G 或 後3G無線基地台及網路設備,乃至於高端資料通訊,此元件均可顯著提升熱插拔電源管理設計的彈性與效能。
在微控制器方面,日前TI推出突破性的新一代超低功耗MSP430微控制器,可針對效能高達25MHz的裝置提供業界最低功耗,同時增加快閃記憶體與RAM,並整合射頻(RF),USB,加密與LCD介面等周邊。由於運行耗電量僅160μA/MHz,且待機時可達1。5μA,MSP430F5x MCU可延長電池壽命,內建這款產品的可攜式應用更可使用較小的電池,至於使用太陽能,振動能源或人體溫度的能量收集系統,則完全不需要電池。由於這顆具有警報功能的32位元RTC MCU只需1。5μA待機電流,因此電池能維持20年以上的壽命,且完全不需要維修,相當適用於水電瓦斯等計量表的應用。
ENERGY STAR EPS 2.0生效日在即 因應方案出籠
Power Integrations
在AC-DC外部電源轉換器市場坐擁龍頭地位的PI,宣佈推出高整合AC-DC(交直流轉換)交換模式功率轉換IC-LinkSwitch-II系列,除提供極為準確的主側控制外,該元件也大幅簡化恆電壓,恆電流(CV/CC)轉換器的工作,讓消費類產品可符合全球所有能源效率與無負載規定, 例如用於外部電源供應的能源之星2。0。這款IC非常適用於行動電話與無線電話的充電器,高亮度LED驅動器和其他精確CV或CC應用。
LinkSwitch-II是PI極為成功的LinkSwitch系列新一代產品,它免除了光耦器和所有次要側CV/CC控制電路以及所有控制迴路補償電路,因此能夠簡化準確輸出CV/CC轉換器的設計。在5V/1A,5W的行動電話充電器設計中, LinkSwitch-II在115-230 VAC輸入和25%,50%,75%和100%負載範圍達成的平均效率高達75%,提供了符合ENERGY STAR EPS2。02的簡易路逕。與前一代產品相比, LinkSwitch-II設計的充電器元件少了9個,若與其他非同級元件相比,減少元件更多達15個。PI高功率產品部產品行銷經理Silvestro Fimiani表示,由於消除了次要迴授感應元件,採用LinkSwitch-II的充電器可達到80%,此外它可大幅減少無負載時的功耗,同時為消費者節省電費。為增強LinkSwitch-II的環保效果,該系列產品全部採用無鹵,與RoHS相容的封裝,這也是Apple,Nokia,Samsung和LG等終端廠商不斷要求的標準。
CamSemi
無獨有偶地,英商康橋半導體公司(CamSemi)也發佈一個新的混合信號控制器產品,它可用來快速開發簡單且低成本專為無線電話機或其他對EMI敏感的小功率電器供電的開關電源(SMPS)。設計工程師採用新的C2471元件就能在第一時間迅速地順利達到FCC Part 68所規定的電信設備標準以及能源之星2。0 (ENERGY STAR 2。0) 所規定的節能標準,而不再需要使用昂貴複雜的濾波電路,也不需要專門的設計技能。這個最新控制器的目標市場是額定功率為1瓦至6瓦的大量消費類電器,其中包括家用電信裝置和音響設備:這兩個重點市場目前仍然主要是使用線性電源,這類型電源的特點是它們所消耗的功率,大約有一半是被浪費掉了。
C2471是最新添加到C2470積體電路系列的其中一個產品,英商康橋半導體是在去年10月推出的這一系列突破性能的元件,相對於返馳式開關電源的設計架構,該系列控制器能夠使設計的電源產品進一步提高在體積和性能上的優勢,在不需要增加任何額外的成本費用,提供了用戶一個更節能的設計方案。該控制器基於獨特的諧振不連續順向式轉換器(Resonant Discontinuous Forward Converter, RDFC)拓墣專利技術,可以在整個負載變化範圍內維持“無EMI”的諧振開關工作。這種方法產生的EMI特別低,因此是電信、音響以及其他具有挑戰性應用的理想選擇。
C2471控制器還能幫助製造商順利地符合能源之星2.0(ENERGY STAR 2.0)的規範要求,該規範將預期在2008年11月開始執行。例如,要求一個由120V供電的6W無線電話的平均效率是73%,而基於C2471的解決方案則可以達到82%的平均效率。規範要求無負載的功率消耗是300mW,而採用英商康橋半導體的產品可以使無負載功率消耗降低到160mW。
可攜式裝置超低功耗音訊編解碼晶片問世
Wolfson Microelectronics 推出新一代超低功耗音訊晶片系列的第一個產品 - WM8903,其創新技術能大幅延長具備音訊功能之可攜式產品的播放時間最高長達40小時,例如可攜式媒體播放器(PMP)、多媒體手機和掌上型遊戲機。
WM8903超低功耗CODEC的體積十分精巧輕薄,並提供Wolfson著名的高效能音訊和領先業界的低功耗能力,以符合今日多媒體可攜式產品的嚴峻要求。WM8903讓設計者能夠突破產品設計極限,開發出令人讚賞且具有差異化的產品。
WM8903具備Wolfson全新的SmartDAC™技術,提供一種獨特的低功率DAC電容交換架構。這項技術讓DAC至耳機的驅動功耗只需4。4mW,並且擁有「效能與功耗匹配組合」的可編程能力,讓系統設計者能針對不同的使用情境(例如放在充電座上或行進中使用)予以最佳化。
Wolfson技術長Peter Frith表示:「WM8903真正具備了下一代超低功耗元件所需的條件,顯著延長音樂播放時間。WM8903讓設計者能夠輕易設計出一個只需充一次電就可以播放長達40小時的可攜式產品。WM8903所提供的創新技術,正是Wolfson AudioPlus™產品線的成功例子,完美整合了AudioPlus™所包含的純淨音質(Pure Audio)、智慧電源(Smart Power)、擬真麥克風(True Mics)和強化聆聽(Enhanced Soundware)等重要元素。」
WM8903同時也包含Wolfson的Class W放大器技術,它是一個創新的class G/H,具備調適性的dual drive電荷泵(charge pump)和直流伺服電路架構(DC servo circuit architecture)。Class W耳機放大器技術能夠以智慧型的方式追蹤實際的音樂訊號層級,並採用調適性的dual drive電荷泵以維持最佳化功率消耗。WM8903可經由共同的1。8V類比和數位電壓的電力軌(Power rails)來運作。其優異的電源漣波拒斥比(PSRR)讓WM8903可以和其他數位元件共享高雜訊的電力軌,而不會衝擊效能。這個架構不僅成功改善電源消耗的問題,而且也不再需要採用大型直流隔離電容(DC blocking capacitors),大幅地節省電路板空間和音訊子系統之物料 (BOM)成本。WM8903更透過一個改良的低頻響應(bass response),提升聽覺享受。