探究新型能源的开发与利用

在20世纪初期，节约有限的资源就被视为工程应用的良好示范，但时至今日，节约已被视为必需。在现代的电子设计中，电能已经被视为有限量的商品，此外，大部份用来操作电子装置的电能最终都以热力的形式被浪费，当中并无任何贡献。

以互联网及移动电话的基础建设核心为例，一个大型的刀锋服务器机房可以容纳超过一万台计算机，每台大概消耗200W的功率，这还没有计算要将计算机产生热能排出机房外所需空调系统的耗能。如果再加上未来串流视讯及行动视讯所需的耗电量，这种能源消耗的上升趋势将随着各国信息科技的普及而持续。

本文将以美国国家半导体一系列PowerWise节能产品为例，说明如何满足全球对节省能源日益高升的需求。PowerWise的范围包括运算放大器到高速数据转换器，从通讯装置到电源稳压器等均包含在内，首先，将从效能指标的评估开始讨论。

功效比

评估汽车最简单的测量方式是每加仑汽油可行驶的里程数(或称MPG等级)。随着汽油(我们现有的基础建设可携能源储存媒介)价格的上升，这种测量方式变得更为重要，而这种概念则与我们所讨论的功效比如出一辙。功效比对工程人员来说有两方面的意义，一方面是减少功耗及所产生的热能浪费，另一方面则是在相同功耗下发挥更高的性能。

低功耗最明显的优点是提高经济效益(减少在能源上的花费)或是获得更长的电池续航力(可延长可携式音乐播放器的播放时间)。另一个较不明显的效益便是降低电子产品过热的问题，以延长产品的寿命。温度的上升可能会导致半导体材料出现疲劳的问题，因此环境温度愈低，产品的工作寿命就愈长，使得替换周期变得更长久，达到节省成本的目标。

另一方面，有些新的设计可能受限于先前的开发资源(例如是空间、功耗和散热能力等)，最典型的例子是有线电视缆线机顶盒或STB。这类装置的实际体积大小可能与上一代的型号相同或甚至更迷你，而功率(直接与所浪费的热能有关)也必须与上一代机型相同或更低，但新设计的性能必须比上一代更好(例如从标准分辨率的STB转换至HDTV或甚至加上DVR功能)。由于资源没有改变，功率和实际体积空间也一样，因此设计的变化便往往为设计人员带来很大的挑战。要克服这个困难，设计人员便需使用更高性能的组件，这些组件的功耗必须跟以往的组件相同或更低，以便展现出提高功效比的优点。

架构与制程技术

对半导体来说，高带宽和低漏电制程技术是半导体迈向整体高性能的关键，但这只是事实的一部份。事实上，实现组件设计的技术和专利与制程技术本身同等重要。举例来说，PowerWise中的超高速Giga取样模拟/数字转换器ADC083000便采用了一种新的折迭转换器(folding converter)拓朴，将每秒3Giga取样率的取样功耗降至两瓦。此外，折迭式架构还有灵活调节分辨率的优点，相较之下，快闪转换器(flash converter)的分辨率每提高1位，功耗便上升一倍。

系统与组件的关系

另一个常被忽略的功效比衡量因素，是组件本身的规格参数。功率放大器中的SuPA或是开关器单元(如图1所示)就是一个实例。采用LM3208和LMV228功率检测器，功率放大器的直流功耗(Pdc)便可大幅降低。这两款PowerWise节能芯片均可降低移动电话输出级的整体功耗。

图1：LM3208功率检测器架构图。

藉设计工具强化效率

除了组件本身以外，还有一些辅助方法可使组件更加高效，即在开发过程中运用的优化工具。经由适当的工具协助，可以让组件发挥更高功效比，这些工具可以广泛地应用于大多数组件，并不局限于开关电源稳压器。美国国家的WEBENCH便是一个以网页为基础的设计工具，它可让设计人员按照所需的效能等级对其他参数进行调整(如组件尺寸)，以得出最佳的电源供应设计方案。

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专利技术及系统知识

目前，市面上多款移动电话中的数字核心，均采用美国国家半导体的PowerWise可适性电压调整技术(AVS)解决方案。这种技术可支持处理器及外部的电源管理单元(PMU)，是真正的系统解决方案。处理器核心内的专利技术AVS会负责监控系统的性能，并因应情况来调节电源和偏置电压，可以显著的降低数字处理器的功耗达70%。AVS PowerWise持续地进行实时调整，以便能在最小的功耗下发挥最高的效能，大幅增加单次充电后的工作时间。

随着数字处理器的尺寸不断缩小，封装在处理器内部的晶体管也愈来愈多，这使得静态电源的重要性开始超过动态电源。以前的芯片都采用90nm以上的制程技术制造，因此内部电路的漏电情况还比较容易控制，但现在的工程师要开发更精密的制程，如何降低内部漏电便成为棘手的问题。可以采用PowerWise AVS减小静态功耗，从而增加操作时间(电池续航力)或减少整体的功率耗散。

参考设计

参考设计对于工程人员很重要，因为它可提供一个良好设计的模板，尤其当设计人员需要在同样功耗下增强性能的时候。除此之外，大部份的设计问题，例如正确的组件选择和放置，以及有关布局和布线等问题都可从参考设计中找到答案。

如美国国家半导体参考设计数据库中的ADC083000参考设计，它采用完整可支持测量仪表(如示波器及自动化测试仪器)的模拟前端(AFE)电路，并使用PowerWise LMH6555 1.2GHz差动驱动器作为讯号路径的一部份。将该组件结合ADC083000数据转换器及定时解决方案后，仪器设计人员便可展开一项新的设计。

图2-WEBENCH优化控制。

从另一个角度来看，通讯技术的蓬勃发展促进了大量多媒体串流应用的崛起，这些需占用大量带宽的串流视讯对了IP网络流量的需求日益升高，进一步影响了基础建设与终端装置的设计。目前需求热切的行动视讯串流不只要求压缩率要高，而且还要求高质量的音效。现在有许多移动电话具备视频压缩功能以便进行实时的视讯传送，而这些额外的功能意谓需要消耗更多的电力。

在不久的将来，包含音效内容的视讯串流将在因特网上大行其道。届时，大多数可携式行动装置不但具备视讯录像和播放功能，而且还可实时播放视讯串流，这就需要低延迟时间以及大带宽。这些新的功能需要大量增加基础建设以及装置本身在处理时所需的功耗，因此功效比就越显得重要。

本文小结

毫无疑问，市场正在驱动串流视讯、实时提供可用带宽及无穷无尽的储存空间的应用，但用来实现这些功能的资源却依然有限。就如同70年代的汽车每加仑汽油只能行驶8到11英哩，但时至今日同样的汽油用量却可行驶30英哩。此外，今天的跑车虽拥有500匹马力，但仍可达到合理的哩数，这全归功于更新一代组件所提供的更高功效比。

作者：Richard F Zarr

美国国家半导体