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3 Viewpoint 编 辑 视 点 王 丽 英 3D 晶 体 管 为 摩 尔 定 律 注 入 新 活 力 众 所 周 知, 根 据 摩 尔 定 律, 晶 体 管 的 集 成 度 每 十 八 个 月 翻 一 番, 同 时 芯 片 功 能 和 性 能 将 提 高, 而 成 本 则 会 降 低 40 多 年 以 来, 摩 尔 定 律 已 经 成 为 半 导 体 行 业 的 基 本 商 业 模 式 但 是, 随 着 芯 片 集 成 度 的 提 高, 工 艺 制 程 的 提 升 ( 进 入 32 纳 米 ), 晶 体 管 越 来 越 小, 其 沟 道 长 度 也 逐 渐 变 小, 漏 电 流 成 了 不 可 解 决 的 问 题, 人 们 一 度 怀 疑 摩 尔 定 律 是 否 继 续 有 效? 前 不 久, 英 特 尔 公 司 宣 布 他 们 将 在 其 研 发 代 号 Ivy Bridge 的 22 纳 米 芯 片 中 采 用 革 命 性 的 3D 晶 体 管 设 计, 英 特 尔 称 之 为 三 栅 极 (Tri-Gate) 结 构 3D 晶 体 管 技 术 的 量 产 让 人 们 重 新 看 到 了 摩 尔 定 律 的 效 力 3D 晶 体 管 在 结 构 上 实 现 了 革 命 性 的 突 破, 传 统 扁 平 的 2D 平 面 栅 极 被 超 级 纤 薄 的 从 硅 基 体 垂 直 竖 起 的 3D 硅 鳍 状 物 所 代 替 电 流 控 制 是 通 过 在 鳍 状 物 三 面 的 每 一 面 安 装 一 个 栅 极 而 实 现 的 ( 两 侧 和 顶 部 各 有 一 个 栅 极 ), 而 不 是 像 2D 平 面 晶 体 管 那 样, 只 在 顶 部 有 一 个 栅 极 3D 结 构 的 最 大 优 势 是 可 以 使 晶 体 管 在 开 的 状 态 下 让 尽 可 能 多 的 电 流 通 过 ( 高 性 能 ), 而 在 关 的 状 态 下 尽 可 能 让 电 流 接 近 零 ( 低 能 耗 ), 同 时 还 能 在 两 种 状 态 之 间 迅 速 切 换 ( 这 也 是 为 了 达 到 高 性 能 ) 这 就 像 摩 天 大 楼 通 过 向 天 空 发 展 栅 极 晶 体 管 结 构 提 供 了 一 种 管 理 晶 体 管 密 度 的 方 式 由 于 这 些 鳍 状 物 本 身 是 垂 直 的, 晶 体 管 也 能 更 紧 密 地 封 装 起 来 这 是 摩 尔 定 律 追 求 的 技 术 和 经 济 效 益 的 关 键 点 所 在 未 来, 设 计 师 还 可 以 不 断 增 加 鳍 状 物 的 高 度, 从 而 获 得 更 高 的 性 能 和 能 效 3D 三 栅 极 晶 体 管 使 芯 片 能 够 在 更 低 的 电 压 下 运 行, 并 进 一 步 减 少 漏 电 量, 与 之 前 最 先 进 的 晶 体 管 相 比, 它 能 提 供 前 所 未 有 的 更 高 性 能 和 能 效 这 些 能 力 让 芯 片 设 计 师 可 以 根 据 应 用 的 需 求 灵 活 地 选 用 低 能 耗 或 高 性 能 晶 体 管 据 英 特 尔 的 数 据 : 与 之 前 的 32 纳 米 平 面 晶 体 管 相 比,22 纳 米 3D 三 栅 极 晶 体 管 在 低 电 压 下 将 性 能 提 高 了 37% 这 一 惊 人 的 改 进 意 味 着 它 们 将 是 小 型 手 持 设 备 的 理 想 选 择, 这 种 设 备 要 求 晶 体 管 在 运 行 时 只 用 较 少 的 电 力 进 行 开 关 操 作 全 新 的 晶 体 管 只 需 消 耗 不 到 一 半 的 电 量, 就 能 达 到 与 32 纳 米 芯 片 中 2D 平 面 晶 体 管 一 样 的 性 能 摩 尔 本 人 对 此 评 价 : 在 多 年 的 探 索 中, 我 们 已 经 看 到 晶 体 管 尺 寸 缩 小 所 面 临 的 极 限, 今 天 这 种 在 基 本 结 构 层 面 上 的 改 变, 是 一 种 真 正 革 命 性 的 突 破, 它 能 够 让 摩 尔 定 律 以 及 创 新 的 历 史 步 伐 继 续 保 持 活 力 而 使 得 城 市 规 划 者 优 化 可 用 空 间 一 样, 英 特 尔 的 3D 三

4 Outlook 技 术 前 沿 双 结 光 伏 单 元 制 造 成 功 RFMD( 公 司 近 日 宣 布, 他 们 已 成 功 利 用 公 司 现 有 标 准 6 英 寸 半 导 体 设 备 生 产 出 集 成 GaAs ( 砷 化 镓 ) 和 InGaP( 磷 化 铟 镓 ) 的 双 结 光 伏 单 元 (dual-junction PV cells) 双 结 光 伏 单 元 的 成 功 研 制 保 证 了 未 来 三 结 结 构 (triple-junction structures) 的 发 展, 其 最 终 目 的 是 开 发 一 种 商 业 上 可 行 的 和 具 有 高 量 产 能 力 的 高 性 能 复 合 半 导 体 太 阳 能 电 池 该 成 果 是 RFMD 公 司 自 2009 年 开 始 与 美 国 国 家 可 再 生 能 源 实 验 室 (NREL) 合 作 的 结 果 NREL 在 太 阳 能 电 池 技 术 方 面 有 数 十 年 的 研 究 经 验, 他 们 的 合 作 以 NREL 的 电 池 设 计 知 识 产 权 为 基 础, 开 发 高 效 能 多 结 光 伏 电 池 的 商 用 高 产 复 合 半 导 体 制 程, 以 便 生 产 高 性 能 太 阳 能 电 池 NREL 的 技 术 已 证 明 他 们 的 太 阳 能 电 池 转 换 效 率 最 高 可 达 40.8% 该 双 结 光 伏 单 元 的 生 产 采 用 了 RFMD 公 司 的 生 产 线, 该 生 产 技 术 具 有 高 量 产 低 成 本 高 可 靠 性 及 高 性 能 的 特 点 RFMD 公 司 的 6 英 寸 晶 圆 的 转 换 效 率 非 常 一 致, 在 CPV 产 品 性 能 上 保 证 了 高 量 产 和 紧 密 分 布 的 特 性 Christina Nickolas 中 科 院 微 电 子 所 太 赫 兹 晶 体 管 研 究 取 得 新 进 展 太 赫 兹 波 (T-ray,0.1~ 10THz) 在 公 共 安 全 无 损 检 测 射 电 天 文 环 境 监 测 宽 带 通 信 空 间 探 测 生 物 医 学 等 方 面 具 有 重 要 的 应 用 前 景, 高 性 能 太 赫 核 心 器 件 的 研 制 是 太 赫 兹 技 术 的 实 用 化 进 程 中 的 关 键 环 节 近 日, 中 国 科 学 院 微 电 子 研 究 所 微 波 器 件 与 集 成 电 路 研 究 室 ( 四 室 ) 刘 洪 刚 研 究 员 带 领 的 研 究 团 队 在 太 赫 兹 核 心 器 件 研 究 方 面 取 得 进 展 将 集 成 电 路 的 工 作 频 率 提 升 到 太 赫 兹 频 段 是 国 际 上 太 赫 兹 技 术 领 域 研 发 的 热 点, 而 研 制 太 赫 兹 晶 体 管 则 是 关 键 所 在 传 统 的 硅 基 微 电 子 技 术 通 常 采 用 缩 小 尺 寸 来 提 高 晶 体 管 的 特 征 频 率, 当 晶 体 管 制 造 技 术 发 展 到 纳 米 尺 度 后, 器 件 性 能 的 提 高 将 受 到 一 系 列 基 本 物 理 问 题 和 工 艺 技 术 问 题 的 限 制, 硅 基 晶 体 管 的 频 率 性 能 难 以 进 一 步 提 高 微 电 子 所 太 赫 兹 核 心 器 件 研 究 团 队 采 用 高 迁 移 率 InP 基 材 料 体 系 设 计 了 一 种 新 型 异 质 结 双 极 晶 体 管, 通 过 巧 妙 利 用 II 型 能 带 结 构 使 电 子 以 弹 道 输 运 的 方 式 渡 越 晶 体 管, 大 幅 度 地 提 高 了 晶 体 管 的 工 作 频 率, 为 突 破 太 赫 兹 晶 体 管 技 术 探 索 了 一 条 新 途 径 最 新 结 果 表 明,InP 基 太 赫 兹 晶 体 管 的 截 止 频 率 (FT) 高 于 0.6THz, 最 大 振 荡 频 率 (FMAX) 突 破 1THz, 其 Johnson Limit(FT'BVCEO) 比 硅 基 晶 体 管 提 高 了 5 倍 以 上 该 项 研 究 成 果 将 推 动 集 成 电 路 技 术 在 太 赫 兹 信 号 的 发 射 接 收 与 运 算 处 理 方 面 的 应 用, 并 受 到 国 际 同 行 的 高 度 评 价, 相 关 论 文 已 经 发 表 于 国 际 期 刊 IEEE Transaction on Electron Devices, Vol. 58, No. 2, pp. 576 (2011) 更 多 信 息, 请 参 考 ime.ac.cn Mary 27

5 技 术 前 沿 Outlook Globalpress 电 子 峰 会 : 透 视 4G MEMS 产 业 新 动 向 马 楠 我 们 的 世 界 每 天 都 在 发 生 巨 大 的 变 化, 比 如 政 治 的 变 革, 经 济 的 发 展 环 境 的 改 变 以 及 技 术 的 进 步 等 你 所 需 要 做 的 就 是 打 开 电 视 或 者 使 用 互 联 网 来 见 证 这 些 变 化, 由 此 可 见 通 信 技 术 为 社 会 交 流 带 来 的 便 利 性 这 正 如 Intersil 公 司 总 裁 兼 首 席 执 行 官 David Bell 在 在 第 九 届 电 子 峰 会 (Electronics Summit 2011) 的 演 讲 中 所 说, 无 论 何 时 何 地, 人 们 可 进 行 沟 通 的 四 大 因 素 包 括 智 能 手 机 3G/4G 网 络 数 据 存 储 中 心 和 宽 带 接 入, 而 半 导 体 技 术 则 为 上 述 这 些 应 用 创 造 了 条 件 由 Globalpress Connection 公 司 举 办 的 每 年 一 度 的 电 子 峰 会 则 成 为 业 内 众 多 厂 商 展 示 新 技 术 与 新 产 品 的 重 要 舞 台 三 月 下 旬, 本 社 记 者 与 另 外 近 40 家 电 子 行 业 媒 体 全 程 参 与 了 在 美 国 加 州 Santa Cruz 举 办 的 电 子 峰 会 在 本 届 峰 会 上, 来 自 全 球 多 个 国 家 的 23 家 电 子 厂 商 围 绕 行 业 热 点 新 技 术 提 出 各 自 的 解 决 方 案 及 相 应 对 策,4G MEMS 等 话 题 成 为 此 届 峰 会 的 主 导 由 于 厂 商 众 多, 笔 者 很 难 将 新 技 术 与 新 产 品 为 读 者 一 一 介 绍, 只 能 通 过 以 下 几 个 热 门 技 术 话 题 来 为 读 者 展 示 本 届 电 子 峰 会 的 相 关 信 息 部 署 4G 网 络, 众 厂 商 各 显 其 能 由 于 人 们 对 于 沟 通 的 需 求 增 长, 对 视 频 移 动 互 联 等 娱 乐 信 息 的 追 求 和 依 赖 与 日 俱 增, 以 及 无 线 数 据 处 理 能 力 的 日 益 增 长, 使 得 全 球 技 术 行 业 加 速 向 着 LTE/4G 迁 移, 因 而 在 此 次 峰 会 上, 众 多 厂 商 围 绕 4G 网 络 进 行 部 署, 纷 纷 推 出 满 足 LTE/4G 网 络 需 求 的 产 品 和 技 术 半 导 体 产 业 的 变 革 将 由 云 计 算 视 频 和 移 动 性 来 驱 动, IDT 副 总 裁 Graham Robertson 作 为 此 次 峰 会 的 第 一 个 演 讲 嘉 宾 提 出 这 样 的 观 点, 对 于 云 计 算, 移 动 性 和 视 频 这 些 应 用 需 求, 现 有 的 3G 基 础 设 施 已 无 法 满 足 如 此 爆 炸 性 的 数 据 传 输, 因 此 4G 是 大 势 所 趋 IDT 在 时 钟 领 域 已 位 居 龙 头 地 位, 在 串 行 交 换 和 存 储 接 口 解 决 方 案 市 场 也 名 列 前 茅 现 如 今,4G 的 发 展 将 成 为 IDT 业 务 发 展 的 一 个 强 大 助 推 器, 据 Graham Robertson 介 绍, 世 界 上 所 有 的 LTE 基 站 都 将 采 用 IDT 的 交 换 器, 相 当 于 每 个 基 站 中 有 50 美 元 的 产 品 是 IDT 提 供, 这 些 产 品 将 在 未 来 几 年 内 将 会 增 长 3 倍, 势 必 会 带 动 IDT 的 业 务 快 速 增 长 天 体 物 理 学 家 们 相 信 宇 宙 中 80% 的 物 质 是 暗 物 质 (Dark Matter), 而 Tensilica 首 席 技 术 官 Chris Rowen 却 将 这 一 理 论 引 入 处 理 器 领 域, 他 认 为 传 统 处 理 器 的 计 算 速 度 不 到 10B ops/s, 能 效 低 于 2B ops/w, 因 而 在 处 理 器 领 域 同 样 存 在 暗 物 质 随 着 4G 时 代 的 来 临, 网 络 传 输 速 度 达 到 1Gbps, 处 理 器 的 计 算 能 力 很 可 能 不 能 满 足 人 们 对 于 大 数 据 处 理 的 应 用 需 求 为 了 应 对 这 个 挑 战,,Tensilica 推 出 了 Xtensa LX4 数 据 平 面 处 理 器 (DPU), 它 突 破 了 处 理 器 领 域 的 暗 物 质, 将 成 像 视 频 网 络 和 有 线 / 无 线 基 带 通 信 中 需 要 庞 大 数 据 处 理 的 数 据 带 宽 提 高 了 4 倍 另 外,Xtensa LX4 DPU 能 够 支 持 更 高 的 本 地 数 据 存 储 位 宽, 最 高 达 到 每 周 期 1024 比 特, 并 支 持 更 宽 的 128 位 VLIW( 超 长 指 令 字 ) 指 令, 28

6 Outlook 技 术 前 沿 从 而 提 高 指 令 并 行 度 Xtensa LX4 DPU IP 现 已 供 货, 在 45nm 工 艺 下 基 本 型 Xtensa LX4 DPU 时 钟 频 率 可 以 超 过 1GHz, 而 大 小 只 有 mm 2 现 如 今,iPhone Android 及 新 一 批 功 能 强 大 的 移 动 终 端 开 创 了 大 量 应 用, 手 机 游 戏 移 动 支 付 GPS 导 航 及 无 线 互 联 网 接 入 等 功 能 正 日 趋 完 善, 带 宽 的 持 续 升 级 要 求 给 移 动 回 程 传 输 网 络 带 来 前 所 未 有 的 巨 大 压 力 现 有 移 动 回 程 传 输 网 络 一 般 都 基 于 传 统 的 TDM 技 术, 使 用 量 已 经 快 达 到 网 络 的 容 量 上 限, 因 此 以 太 网 有 望 成 为 运 营 商 采 用 的 首 要 回 程 传 输 技 术 与 传 统 TDM 网 络 相 比, 以 太 网 能 使 运 营 商 每 年 节 省 75% 的 运 营 费 用 预 计 到 2014 年, 几 乎 所 有 基 站 都 将 采 用 以 太 网 因 此, 市 场 调 查 公 司 Infonetics 预 测, 到 2014 年, 购 买 移 动 回 程 传 输 设 备 的 支 出 将 达 到 80 亿 美 元 Broadcom 推 出 StrataXGS BCM56440 交 换 芯 片 系 列 产 品 能 提 供 1000 倍 于 传 统 网 络 的 带 宽, 使 运 营 商 能 非 常 容 易 地 升 级 传 统 回 程 传 输 网 络, 从 而 向 4G 网 络 转 变 据 Broadcom 网 络 交 换 事 业 部 产 品 总 监 Edward Doe 介 绍,BCM56440 交 换 芯 片 系 列 的 集 成 度 非 常 高, 在 一 个 40nm CMOS 器 件 中, 整 合 了 多 达 7 个 现 成 有 售 的 ASSP 的 功 能 此 外, BCM56440 无 须 昂 贵 的 高 功 耗 的 NPU 和 FPGA, 降 低 了 总 体 开 发 成 本 加 速 了 产 品 上 市 时 间 面 对 网 络 带 宽 所 承 载 的 越 来 越 重 的 负 荷, 与 Broadcom 坚 守 以 太 网 阵 营 不 同,Altera 认 为 传 统 的 铜 线 技 术 很 快 会 成 为 网 络 通 信 发 展 的 瓶 颈 对 于 芯 片 至 芯 片 芯 片 至 背 板 和 板 卡 至 板 卡 的 带 宽 瓶 颈,Altera 预 见 的 未 来 是 整 条 数 据 通 路 全 部 采 用 光 接 口, 并 提 出 光 纤 互 连 可 编 程 器 件 规 划 据 Altera 副 总 兼 IC 工 程 师 Bradley Howe 称, 采 用 光 互 连 解 决 方 法 可 突 破 铜 线 技 术 固 有 的 带 宽 和 信 号 完 整 性 瓶 颈, 有 效 地 提 高 网 络 带 宽 和 端 口 密 度, 并 降 低 系 统 复 杂 度 成 本 和 功 耗 对 于 数 据 中 心 等 需 要 进 行 大 量 计 算 和 存 储 功 能 的 应 用, 将 光 纤 接 口 集 成 到 器 件 封 装 中 能 够 取 代 可 插 拔 光 纤 器 件, 功 耗 降 低 70%~80%, 端 口 密 度 和 带 宽 提 高 了 几 个 数 量 级 聚 焦 MEMS 传 感 器, 市 场 持 续 增 长 相 较 于 围 绕 4G 展 开 的 技 术 和 产 品,MEMS 依 旧 是 Globalpress 电 子 峰 会 的 一 大 亮 点 随 着 汽 车 电 子 消 费 类 电 子 和 医 疗 电 子 等 产 业 的 快 速 发 展, MEMS 传 感 器 的 应 用 需 求 和 技 术 创 新 不 断 涌 现, 其 将 迎 来 新 一 轮 的 增 长 未 来 两 年,MEMS 传 感 器 在 移 动 设 备 中 将 有 5 倍 的 增 长 据 IHS isuppli 公 司 预 测, 到 2014 年, 消 费 电 子 和 手 机 领 域 的 MEMS 营 业 收 入 将 达 到 37 亿 美 元 Freescale 全 球 区 域 行 销 总 监 Glen Burchers 预 测 传 感 系 统 将 是 传 感 器 发 展 的 趋 势, 即 将 多 种 传 感 器 处 理 器 以 及 电 源 管 理 等 模 块 融 合 在 一 个 平 台 上 Freescale Xtrinsic 解 决 方 案 就 是 顺 应 这 个 趋 势 的 产 物 据 Glen Burchers 介 绍,Xtrinsic 移 动 传 感 平 台 集 成 了 加 速 器 处 理 内 核 存 储 器 和 多 个 嵌 入 式 功 能, 具 有 可 由 用 户 定 义 的 功 能 和 多 个 传 感 器 输 入, 为 移 动 消 费 应 用 提 供 了 更 多 的 灵 活 性 MMA9550L 作 为 Xtrinsic 运 动 传 感 平 台 的 代 表 产 品, 将 ColdFire 微 处 理 器 和 MEMS 加 速 度 计 封 装 在 一 起, 不 仅 降 低 了 系 统 成 本, 还 可 节 省 90% 的 系 统 功 耗 作 为 MEMS 传 感 器 先 锋 厂 商, VTI 科 技 专 注 于 3D MEMS 传 感 器 据 VTI 科 技 副 总 裁 兼 北 美 区 总 经 理 Scott Smyser 介 绍,3D MEMS 传 感 器 由 带 有 金 属 电 容 板 的 底 座 带 有 运 动 感 应 结 构 的 中 间 层 和 顶 盖 三 个 不 同 的 硅 层 用 玻 璃 粘 合 在 一 起 组 成, 每 层 都 有 金 属 薄 膜 形 成 电 极 而 成 为 电 容 式 传 感 器 CMR3000 是 VTI 科 技 推 出 的 一 款 高 性 能 低 功 耗 的 三 轴 陀 螺, 即 采 用 VTI 的 3D-MEMS 技 术, 将 陀 螺 仪 通 过 SPI 数 据 口 输 出, 具 备 极 强 的 抗 振 性 和 高 可 靠 性 结 语 在 此 届 电 子 峰 会 上, 还 有 其 他 半 导 体 厂 商 FPGA 供 应 商 EDA 厂 商 带 来 更 多 的 技 术 和 产 业 趋 势, 限 于 篇 幅, 笔 者 仅 做 以 上 报 道 以 飨 读 者 29

7 Features 专 题 特 写 : 马 达 及 控 制 先 进 节 能 直 流 无 刷 电 机 控 制 器 飞 兆 半 导 体 陈 金 龙 简 文 烯 节 能 减 排 的 议 题 在 国 际 舞 台 中 不 断 地 受 到 重 视, 其 目 的 就 是 为 了 防 止 环 境 污 染 继 续 恶 化 改 善 气 候 剧 烈 变 动, 以 及 在 地 球 有 限 资 源 情 况 下 订 定 条 款 并 相 互 约 束 在 普 通 消 费 者 看 来, 节 能 减 排 无 非 就 是 随 手 关 闭 电 源, 或 搭 乘 公 共 交 通 系 统, 以 便 减 少 资 源 的 浪 费 及 实 现 资 源 回 收 再 利 用 等 目 的 但 是 除 了 这 些 随 手 可 以 实 现 的 动 作 之 外, 另 一 个 根 本 问 题 就 是 如 何 提 高 能 源 使 用 效 率 美 国 EPRI 就 曾 指 出, 全 球 电 机 所 耗 费 的 金 额 一 年 高 达 950 亿 美 金, 占 了 所 有 电 力 51%; 其 次 是 照 明 19%, 冷 却 / 供 暖 16%, IT 14% 表 1 各 国 对 电 机 和 照 明 产 品 的 改 进 计 划 无 论 是 工 业 家 庭 还 是 商 业 用 电, 电 机 所 消 耗 的 能 源 都 占 有 很 高 的 比 例 以 中 国 台 湾 2007 年 的 工 业 用 电 为 1172 亿 度 为 例, 电 机 用 电 约 820 亿 度, 占 了 总 体 用 电 的 70% 如 果 改 善 电 机 系 统 的 输 出 输 入 功 率 比, 就 可 以 提 高 用 电 效 率 所 以 各 个 国 家 或 者 地 区 都 针 对 电 机 及 照 明 这 两 大 类 有 关 产 品 提 出 改 进 计 划 家 庭 用 电 大 约 可 分 为 电 源 转 换 输 出 ( 灯 电 视 ) 及 电 机 驱 动 ( 冰 箱 洗 衣 机 冷 气 风 扇 吸 尘 器 等 ) 这 两 大 类, 其 中 电 机 驱 动 所 消 耗 的 电 力 占 家 庭 用 电 的 70% 根 据 台 湾 工 程 研 究 院 的 数 据, 如 果 电 机 效 率 提 升 10%, 一 年 约 可 节 省 100 亿 度 的 电 量, 相 当 一 座 大 中 型 核 能 发 电 站 所 发 的 电 量 若 再 以 全 球 一 年 的 发 电 量 约 为 20 兆 度 来 计 算 ( 在 中 国 1 兆 是 1 万 亿 ), 可 以 节 省 2 兆 度 的 用 电 量 这 个 惊 人 的 数 字 等 同 于 两 百 座 中 大 型 核 电 站 的 电 量 而 且 在 能 源 法 规 及 环 保 议 题 带 动 下, 产 业 产 品 升 级 已 是 维 持 经 济 持 续 发 展 的 必 要 条 件 图 1 当 今 家 电 产 品 的 驱 动 电 机 分 为 交 流 电 机 直 流 电 机 两 类 ; 直 流 电 机 又 分 为 直 流 有 刷 及 无 刷 电 机 由 于 材 料 科 学 的 进 步, 直 流 无 刷 电 机 (BLDC 或 PMSM) 的 研 发 及 生 产 近 期 有 相 当 大 的 突 破 直 流 无 刷 电 机 具 有 安 静 无 噪 声 免 维 护 保 养 寿 命 长 体 积 小 的 特 性 及 优 点 ; 尤 其 是 高 效 输 入 / 输 出 比, 在 节 能 及 环 保 方 面 均 有 优 异 表 现 直 流 无 刷 电 机 在 技 术 层 面 以 及 进 31

8 专 题 特 写 : 马 达 及 控 制 Features 入 门 槛 的 要 求 都 比 其 他 电 机 ( 如 交 流 直 流 有 刷 ) 更 高, 因 此 拥 有 较 高 的 附 加 值 ; 同 时 在 面 临 能 源 短 缺 及 环 保 要 求 双 重 压 力 下, 高 效 率 环 保 产 品 自 然 成 了 追 求 的 目 标, 而 采 用 直 流 无 刷 电 机 设 计 的 产 品 轻 松 符 合 以 上 要 求 直 流 无 刷 电 机 控 制 驱 动 上 可 采 用 方 波 驱 动 (Trapezoidal Control) 或 磁 通 正 弦 PWM 驱 动 两 种 控 制 系 统 算 法 其 中, 磁 通 正 弦 驱 动 备 受 业 界 嘱 目 磁 通 正 弦 PWM 仅 依 靠 3 个 霍 尔 零 件 无 法 顺 利 产 生 正 弦 波 相 电 流 控 制 信 号, 必 须 整 合 高 分 辨 率 的 位 置 编 码 器 来 辅 助 霍 尔 零 件, 以 取 得 更 精 确 的 位 置 信 息, 如 此 方 能 产 生 所 需 的 正 弦 波 但 位 置 编 码 器 的 高 成 本 却 不 是 一 般 应 用 所 能 接 受 的, 空 间 向 量 调 制 应 运 而 生 空 间 向 量 调 制 PWM(SVPWM) 也 叫 磁 通 正 弦 PWM 法 它 以 三 相 波 形 整 体 生 成 效 果 为 前 提, 以 逼 近 电 机 气 隙 的 理 想 圆 形 旋 转 磁 场 轨 迹 为 目 的, 用 控 制 器 不 同 的 开 关 模 式 所 产 生 的 实 际 磁 通 去 逼 近 基 准 圆 磁 通, 由 它 们 的 比 较 结 果 决 定 控 制 器 的 开 关, 形 成 PWM 波 形 此 法 从 无 刷 电 机 的 角 度 出 发, 把 控 制 器 和 电 机 看 作 一 个 整 体, 以 内 切 多 边 形 逼 近 圆 的 方 式 进 行 控 制, 使 直 流 无 刷 电 机 获 得 幅 值 恒 定 的 圆 形 磁 场 ( 正 弦 磁 通 ) 具 体 方 法 又 分 为 磁 通 开 环 方 式 和 磁 通 闭 环 方 式 磁 通 开 环 法 用 两 个 非 零 向 量 和 一 个 零 向 量 合 成 一 个 等 效 的 电 压 向 量, 若 采 样 时 间 足 够 小, 可 合 成 任 意 电 压 向 量 此 法 输 出 电 压 比 正 弦 波 调 制 时 提 高 15%, 谐 波 电 流 有 效 值 之 和 接 近 最 小 磁 通 闭 环 方 式 引 入 磁 通 反 馈, 控 制 磁 通 的 大 小 和 变 化 的 速 度 在 比 较 估 算 磁 通 和 给 定 磁 通 后, 根 据 误 差 决 定 产 生 下 一 个 电 压 矢 量, 形 成 PWM 波 形 这 种 方 法 克 服 了 磁 通 开 环 法 的 不 足, 解 决 了 直 流 无 图 2 刷 电 机 低 速 时, 定 子 电 阻 影 响 大 的 问 题, 减 小 了 电 机 的 震 动 和 噪 声 在 飞 兆 半 导 体 产 品 中, 有 一 系 列 无 刷 电 机 应 用 参 考 电 路 其 中, 控 制 单 元 (Motor Control IC)- FCM8201/02 具 备 着 方 波 / 弦 波 两 种 驱 动 方 式, 可 依 不 同 产 品 用 途 择 一 使 用 及 多 种 保 护 功 能, 有 别 于 一 般 MCU 单 元 需 要 软 件 撰 写 的 能 力 方 能 设 计 使 用, 降 低 开 发 技 术 门 槛, 并 可 大 幅 的 缩 短 厂 商 产 品 开 发 量 产 时 程 其 他 的 如 飞 兆 半 导 体 智 能 功 率 模 块 (SPM) (IGBT/MOSFET,HVIC) PFC 电 源 管 理 IC 等, 飞 兆 半 导 体 皆 可 快 速 提 供 完 整 的 方 案 在 不 同 的 应 用 场 合 及 产 品 中, 方 表 2 交 流 马 达 和 直 流 马 达 参 数 比 较 交 流 马 达 直 流 无 刷 马 达 耗 电 量 / 效 率 150W/35% 50W/90% 噪 声 交 流 声 完 全 安 静 大 小 / 重 量 交 流 马 达 尺 寸 较 大 比 BLDC 马 达 重 33% 50% 转 速 受 限 于 AC 频 率 (50/60Hz) 且 不 能 调 整 可 无 段 变 速 / 可 因 应 工 作 温 度 自 动 调 整 转 速 温 升 95 由 于 效 率 较 高, 因 而 只 有 应 用 范 围 单 一 用 途 多 用 途 寿 命 短 长 32

9 Features 专 题 特 写 : 马 达 及 控 制 波 驱 动 具 有 低 切 换 损 失 以 及 不 需 要 精 确 的 转 子 反 馈 等 优 点 但 随 之 而 来 的 是 转 矩 脉 动 较 大, 较 适 合 在 大 能 量 输 出 场 合 使 用 如 载 具 泵 工 具 机 工 业 用 风 扇 及 室 外 型 产 品 弦 波 驱 动 无 刷 电 机 有 运 转 平 顺 及 无 震 动 无 噪 声 的 优 势, 较 适 合 场 合 : 吸 尘 器 空 调 冰 箱 洗 衣 机 洗 碗 机 家 用 风 扇 等 家 用 产 品 家 用 风 扇 无 叶 风 扇 空 气 循 环 扇 一 般 家 用 落 地 扇 台 扇 吊 扇 追 求 的 要 点 是 室 内 空 气 循 环, 搭 配 空 调 增 加 效 率 自 然 风 静 音, 已 经 跳 开 以 往 直 吹 的 观 念, 追 求 的 是 更 加 舒 适 的 生 活 以 往 交 流 电 机 要 达 到 相 同 的 功 能 及 效 率 需 要 付 出 额 外 的 控 制 线 路 及 电 机 材 料 体 积 提 升 因 此 成 本 结 构 会 大 幅 增 加 直 流 无 刷 电 机 在 具 备 效 率 及 生 产 优 势 上, 且 具 有 控 制 单 元 很 容 易 将 智 能 功 能 加 入 来 达 到 舒 适 家 居 生 活 的 目 的 为 了 避 免 通 过 的 电 流 量 不 堪 负 荷, 造 成 芯 片 的 损 坏, 并 有 更 好 的 保 护 功 能,FCM82XX 系 列 内 置 OCP(Over Current Protection) 的 设 计 回 路 目 的 是 让 过 电 流 的 情 况 下, 芯 片 还 能 够 受 到 完 整 的 保 护 过 电 流 保 护 FCM8201/02 提 供 三 阶 段 的 过 电 流 保 护 第 一 阶 段 称 过 载 电 流 保 护 (Overload Current Protection), 保 护 动 作 的 门 槛 电 压 (VOCP_OL) 为 1.4V 第 二 阶 段 为 PWM 每 一 周 期 的 电 流 保 护 (Cycle-by-cycle Current Protection), 保 护 动 作 的 门 槛 电 压 (VOCP_CYC) 为 1.5V 最 后 阶 段 则 是 短 路 电 流 保 护 (Short Circuit Current Protection), 保 护 动 作 的 门 槛 电 压 (VOCP_SH) 为 2.5V 图 3 图 4 结 论 在 这 个 电 力 缺 乏 与 环 保 意 识 抬 头 的 年 代, 降 低 核 能 发 电 已 是 所 有 人 共 同 努 力 的 目 标, 对 于 高 效 能 电 机 驱 动 的 需 求 也 逐 渐 被 社 会 大 众 所 接 受, 当 然 电 机 控 制 芯 片 的 设 计 要 求 也 越 来 越 高 比 如,BLDC 或 PMSM 电 机 的 无 传 感 器 霍 尔 传 感 器 以 及 高 阶 电 机 驱 动 器 的 无 传 感 器 与 PFC 都 是 未 来 的 发 展 趋 势 提 供 完 整 的 设 计 方 案 与 仿 真 软 件, 除 了 可 以 简 化 开 发 的 时 程, 还 能 将 电 机 驱 动 达 到 最 优 化 的 效 率, 才 能 有 效 的 缩 短 产 品 上 市 的 周 期 33

10 逻 辑 分 析 仪 对 CF 卡 的 测 量 应 用 1. 引 言 CF 卡 (Compact Flash) 技 术 是 由 CF 协 会 (CFA) 提 出 的 一 种 与 PC 的 ATA 接 口 标 准 兼 容 的 技 术, 使 用 标 准 的 ATA/IDE 接 口 CF 卡 采 用 闪 存 (flash) 技 术, 是 一 种 稳 定 的 存 储 解 决 方 案, 不 需 要 电 池 来 维 持 其 中 存 储 的 数 据, 对 保 存 的 数 据 来 说,CF 卡 比 传 统 的 磁 盘 驱 动 器 安 全 性 和 保 护 性 都 更 高, 比 传 统 的 磁 盘 驱 动 器 及 Ⅲ 型 PC 卡 的 可 靠 性 高 5~10 倍, 而 且 CF 卡 的 用 电 量 仅 为 小 型 磁 盘 驱 动 器 的 5% CF 卡 使 用 3.3~5V 之 间 的 电 压 工 作 ( 包 括 3.3V 或 5V) 这 些 优 异 的 条 件 使 CF 卡 广 泛 应 用 于 数 码 相 机 PDA 笔 记 本 电 脑 等 设 备 CF 卡 的 存 取 工 作 模 式 有 三 种 : PC Card Memory 模 式 PC Card I/O 模 式 以 及 True IDE 模 式 本 文 介 绍 了 CF 卡 工 作 在 True IDE 模 式 下 的 时 序 分 析, 详 细 分 析 总 线 中 的 读 写 寄 存 器 状 态 ATA 命 令 等 根 据 CF 卡 标 准 总 线 的 读 写 时 序, 分 析 总 线 中 的 建 立 保 持 时 间 等, 最 终 解 码 后 的 数 据 将 以 图 形 的 方 式 详 细 显 示 2. 原 理 分 析 2.1 CF 卡 True IDE 模 式 下 总 线 时 序 CF 卡 工 作 在 True IDE 模 表 2-1 True IDE 模 式 I/O 译 码 式 下, 最 基 本 的 连 接 线 有 A00-A02 -CS0 -CS1 -IORD,-IOWR Data0-Data15, 其 中 A00-A02 -CS0 -CS1 这 五 条 信 号 线 组 成 地 址 线 Address0-address4 图 2.1 CF 卡 True IDE 模 式 读 写 时 序 CF 卡 True IDE 模 式 总 线 读 写 时 序 如 图 2.1 所 示, 图 中 的 时 间 参 数 如 tsu thd 等 由 具 体 器 件 决 定 数 据 线 (-IORD) 写 数 据 线 (-IOWR) 都 是 低 电 平 有 效, 双 向 数 据 线 (Data) 位 宽 为 16 位, 即 读 写 数 据 复 用 数 据 线 2.2 True IDE 模 式 地 址 对 于 CF 卡 的 读 写 操 作, 其 实 就 是 对 CF 卡 控 制 器 的 寄 存 器 进 行 操 作, 所 以 在 操 作 时 必 须 对 CF 卡 的 寄 存 器 十 分 熟 悉, 这 些 寄 存 器 统 称 为 任 务 文 件 (task file) 寄 存 器 根 据 地 址 线 和 读 写 控 制 线, 表 2-1 详 细 介 绍 了 CF 卡 控 制 器 中 可 操 作 的 寄 存 器 有 效 数 据 的 存 取 是 基 于 实 际 物 理 地 址 进 行 的 地 址 线 (A00 A01 A02) 是 CF 卡 的 控 制 寄 存 器 寻 址 线, 实 际 操 作 地 址 并 不 是 内 存 寻 址 空 间 CF 卡 内 存 空 间 的 寻 址 是 通 过 扇 区 号 寄 存 器 柱 面 号 寄 存 器 和 磁 头 号 寄 存 器 三 者 组 合 完 成 内 存 的 寻 址 CF 卡 的 读 写 是 通 过 卡 内 的 缓 冲 区 进 行 的, 不 支 持 直 接 读 写 存 储 区 域, 读 取 数 据 时, 存 储 卡 中 的 智 能 控 制 电 路 先 把 数 据 写 入 缓 冲 区, 然 后 外 部 系 统 才 能 通 过 读 缓 冲 区 将 数 据 读 取 出 来 写 数 据 时, 外 部 系 统 先 把 数 据 写 入 缓 冲 区, 写 满 后,CF 卡 将 缓 冲 区 的 内 容 自 动 读 入 存 储 区 域 缓 冲 区 的 读 写 以 顺 序 读 写 图 3.1 CF 卡 解 码 设 置 -CS1 -CS0 A02 A01 A00 -IORD -IOWR 读 数 据 (RD Data) 写 数 据 (WR Data) 错 误 寄 存 器 (Error register) 状 态 寄 存 器 (Features) 扇 区 数 (Sector count) 扇 区 数 (Sector count) 扇 区 号 (Sector Number) 扇 区 号 (Sector Number) 低 柱 面 号 (Cylinder Low) 低 柱 面 号 (Cylinder Low) 高 柱 面 号 (Cylinder High) 高 柱 面 号 (Cylinder High) 驱 动 器 \ 磁 头 (Select Card/head) 驱 动 器 \ 磁 头 (Select Card/head) 状 态 寄 存 器 (Status) 命 令 寄 存 器 (Command) Alt 状 态 寄 存 器 (Alt Status) 设 备 控 制 (Device Control) 驱 动 地 址 (Driver Address) 保 留 (Reserved) 34

11 的 方 式 进 行, 不 支 持 随 机 存 取 方 式, 系 统 只 能 一 次 性 地 按 顺 序 读 完 或 写 完 所 有 512 字 节 在 读 写 访 问 时,CF 卡 True IDE 模 式 支 持 CHS( 柱 面 / 磁 头 / 扇 区 ) 寻 址 方 式, 物 理 寻 址 地 址 通 过 IDE 接 口 写 入 相 应 的 CHS( 柱 面 / 磁 头 / 扇 区 ) 寄 存 器 3. 利 用 逻 辑 分 析 仪 分 析 数 据 下 面 我 们 将 使 用 广 州 致 远 电 子 有 限 公 司 的 LAB6052 逻 辑 分 析 仪 对 CF 卡 进 行 测 量 分 析 3.1 使 用 步 骤 设 置 CF 卡 读 写 控 制 线 根 据 信 号 线 的 接 线 情 况 在 逻 辑 分 析 仪 软 件 (zlglogic) 中 添 加 Data Address IORD IOWR 等 线 对 CF 卡 分 析 插 件 进 行 设 置 选 择 菜 单 工 具 - 插 件 管 理 器, 在 弹 出 的 窗 口 中 单 击 (CF 卡 协 议 分 析 ), 并 点 击 左 下 边 的 ( 设 置 ) 按 钮, 进 入 CF 卡 解 码 设 置 窗 口, 按 照 如 图 3.1 所 示 进 行 设 置, 其 他 默 认 选 择, 也 可 根 据 个 人 喜 好 选 择 性 设 置 3.2 解 码 结 果 分 析 读 操 作 解 码 读 操 作 时 序 在 CF 卡 原 理 中 已 经 介 绍 过, 图 3.2 为 一 次 完 整 的 读 状 态 寄 存 器 操 作, 图 中 看 到 软 件 根 据 总 线 信 号, 自 动 解 码 出 当 前 读 寄 存 器 为 读 状 态 寄 存 器 (Read Status REG) 和 读 到 的 数 据 为 0XD0( 低 8 位 ) 图 中 的 Time 为 时 序 分 析 信 号, 软 件 参 考 标 准 读 时 序 图, 根 据 地 址 和 读 控 制 信 号, 自 动 分 析 出 读 数 据 的 延 迟 保 持 时 间 等, 通 过 辅 助 光 标 能 够 准 确 测 量 时 序 是 否 满 足 器 件 的 时 序 要 求 由 上 可 知, 软 件 根 据 总 线 状 态 能 自 动 分 析 出 CF 卡 操 作 的 寄 存 器 和 操 作 的 数 据 写 操 作 分 析 CF 卡 协 议 采 用 标 准 的 ATA/IDE 接 口, 支 持 ATA 命 令 CF 卡 操 作 数 据 寄 存 器 的 最 小 单 位 为 1 个 扇 区, 一 个 扇 区 为 512 字 节 图 3.3 为 一 次 完 整 的 写 数 据 寄 存 器 时 序, 虚 拟 DataCmd 为 逻 辑 分 析 仪 对 采 集 到 的 数 据 进 行 ATA 命 令 解 析, 在 写 数 据 寄 存 器 首 先 要 写 入 写 扇 区 命 令, 软 件 根 据 总 线 状 态 解 析 出 写 扇 区 命 令 后, 并 智 能 判 断 后 续 将 有 写 入 扇 区 数 据 的 操 作, 图 中 的 蓝 色 部 分 (Write Data length is 512 Bytes) 是 根 据 之 前 写 入 的 ATA 命 令 分 析 出 总 线 正 处 于 写 数 据 寄 存 器 状 态 图 3.2 读 状 态 寄 存 器 解 码 4. 总 结 本 文 介 绍 了 CF 卡 在 True IDE 模 式 下 的 基 本 原 理, 及 如 何 使 用 逻 辑 分 析 仪 分 析 总 线 中 的 数 据 解 码 出 来 的 地 址 和 读 写 信 号 能 够 清 楚 的 知 道 总 线 操 作 寄 存 器, 根 据 总 线 信 号 也 能 分 析 出 执 行 的 ATA 命 令 和 时 序 是 否 满 足 要 求 图 3.3 写 数 据 寄 存 器 分 析 公 司 地 址 : 广 州 市 天 河 区 车 陂 路 黄 洲 工 业 区 3 栋 2 楼 电 话 :(020) 技 术 支 持 :(020) 电 子 邮 箱 :Sales@embedtools.com 35

12 产 品 汇 总 :DC/DC 转 换 器 Products Update 隔 离 式 DC/DC 转 换 器 ADuM6000 采 用 10mm 10mm 封 装 并 集 成 ADI 公 司 的 专 有 icoupler 数 字 隔 离 技 术 和 isopower DC/DC 转 换 器, 其 功 率 和 隔 离 额 定 值 分 别 为 0.5 和 5kVrms 利 用 该 新 款 数 字 隔 离 器, 设 计 人 员 可 以 节 省 宝 贵 的 电 路 板 空 间, 且 无 须 耗 费 大 量 时 间 去 进 行 医 疗 或 其 他 安 全 审 批 ( 如 IEC ) 安 全 性 是 医 疗 和 工 业 设 计 中 的 关 键 要 求 所 在, 而 ADuM6000 可 以 为 器 件 和 最 终 用 户 提 供 保 护, 使 其 避 开 会 损 害 安 全 性 和 可 靠 性 的 电 压 水 平 利 用 ADuM6000 数 字 隔 离 器, 设 计 人 员 可 以 缩 小 其 系 统 模 块 的 尺 寸, 或 者 在 保 持 尺 寸 不 变 的 情 况 下 添 加 更 多 特 性 和 功 能 而 在 使 用 光 耦 合 器 和 单 独 的 隔 离 式 DC/DC 转 换 器 等 其 他 解 决 方 案 时, 则 可 能 无 法 向 现 有 系 统 模 块 中 添 加 新 功 能 此 外,ADI 公 司 还 推 出 了 ADuM620x 系 列 双 通 道 数 字 隔 离 器, 该 器 件 采 用 isopower 集 成 式 隔 离 DC/DC 转 换 器 技 术, 且 隔 离 额 定 值 为 5kVrms ADI 电 话 : 输 出 DC/DC 微 型 模 块 稳 压 器 LTM8008 包 含 一 个 3~72V 输 入 的 SEPIC 转 换 器 和 6 个 线 性 稳 压 器, 采 用 小 型 15mm 15mm 2.82mm LGA 封 装 其 运 用 一 个 具 降 压 和 升 压 转 换 功 能 的 内 置 SEPIC 转 换 器 对 3~72V 的 输 入 电 源 进 行 调 节, 以 产 生 5.6V 输 出 这 个 5.6V 电 压 反 过 来 再 为 6 个 线 性 稳 压 器 供 电, 以 产 生 5 个 5V 轨 和 一 个 3.3V 轨, 同 时 输 出 电 流 范 围 为 150~500mA 该 器 件 可 为 面 向 汽 车 国 防 和 航 空 电 子 等 市 场 应 付 极 其 密 集 的 负 载 点 电 压 调 节 需 求 Linear Technology 电 话 : info@linear.com.cn 双 同 步 降 压 稳 压 器 新 型 ISL8022 ISL8033/A 和 ISL8036/A 降 压 稳 压 器 的 静 态 电 流 仅 有 40uA, 输 入 电 压 范 围 2.85~6V, 这 使 它 们 成 为 单 节 锂 离 子 电 池 三 节 镍 氢 电 池 或 3V/5V 直 流 输 入 电 压 应 用 的 理 想 选 择 ISL8033/A 和 ISL8036/A 是 双 通 道 降 压 直 流 / 直 流 稳 压 器, 可 提 供 每 通 道 最 大 3A 连 续 输 出 电 流 ;ISL8022 为 更 低 电 流 的 应 用 提 供 了 类 似 的 功 能, 两 个 通 道 的 最 大 连 续 输 出 电 流 分 别 为 2A 和 1.7A ISL8033 和 ISL8036 提 供 1MHz 固 定 开 关 频 率,ISL8033A 和 ISL8036A 的 开 关 频 率 为 2.5MHz, 可 显 著 减 小 直 流 / 直 流 转 换 器 的 总 尺 寸 ISL8033 和 ISL8036 还 可 与 时 钟 频 率 最 大 6MHz 的 外 部 时 钟 同 步, 从 而 进 一 步 减 小 解 决 方 案 总 尺 寸 和 消 除 多 路 开 关 设 计 中 的 拍 频 除 了 独 立 的 3A 输 入 电 流 以 外,ISL8036/A 中 的 双 通 道 还 可 以 并 联, 在 用 于 更 高 功 率 应 用 的 电 流 共 享 模 式 下 建 立 一 个 6A 单 通 道 ISL8033/A 向 用 户 提 供 了 对 每 个 通 道 进 行 过 流 点 阈 值 编 程 的 灵 活 性, 从 而 允 许 在 3A/2A 或 2A/2A 配 置 中 使 用 该 集 成 电 路 来 支 持 各 种 负 载 情 形 Intersil 电 话 : 小 型 6A 降 压 DC/DC 转 换 器 TPS54618 单 片 同 步 开 关 具 有 两 个 集 成 型 12mΩ FET, 可 为 用 于 DSP 及 FPGA 通 信 测 试 以 及 医 疗 设 备 的 2.95~6V 负 载 点 设 计 方 案 实 现 95% 的 高 效 率 以 及 低 工 作 电 流 TPS54618 支 持 包 括 电 流 模 式 控 制 的 高 性 能 与 高 可 靠 性, 可 简 化 外 部 补 偿, 实 现 高 度 灵 活 的 组 件 选 择, 特 别 是 对 小 型 陶 瓷 电 容 器 的 选 用 简 单 易 用 的 可 扩 展 TPS54618 与 3A 2MHz TPS54318 等 其 他 低 电 流 SWIFT 同 步 降 压 转 换 器 引 脚 兼 容 Texas Instruments 电 话 :

13 技 术 追 踪 踪 本 文 由 NI 公 司 赞 助 PXI 规 范 概 览 与 最 新 发 展 NI 中 国 市 场 经 理 朱 君 概 述 PXI 系 统 联 盟 共 同 努 力, 确 保 PXI 背 板 恶 劣 环 境 所 要 满 足 的 要 求 阻 抗 匹 PXI(PCI extensions for Instrumentation) 是 一 种 基 于 PC 技 术 的 面 向 测 试 测 量 和 自 动 化 应 用 的 坚 固 平 台 作 为 一 种 开 放 的 工 业 标 准, PXI 于 1997 年 提 出, 并 于 1998 年 正 式 发 布 今 天,PXI 规 范 由 PXI 系 统 联 盟 ( 管 理 和 维 护 PXI 系 统 联 盟 由 超 过 70 多 家 公 司 组 成, 其 中 包 括 全 球 众 多 领 先 的 测 试 测 量 厂 商 本 文 将 对 PXI 规 范 进 行 概 述 并 介 绍 一 些 最 新 发 展 PXI 标 准 将 CompactPCI 标 准 ( 具 有 PCI 电 气 总 线 特 性, 同 时 具 有 坚 固 的 模 块 化 的 欧 卡 封 装 ) 与 专 用 同 步 总 线 和 软 件 特 性 结 合 在 一 起 PXI 系 统 由 3 个 基 本 部 分 组 成 机 箱 控 制 器 以 及 外 围 I/O 模 块 基 于 PXI 的 这 种 模 块 化 架 构, 可 以 实 现 系 统 部 分 组 件 的 单 独 升 级, 并 且 可 以 使 测 试 系 统 能 快 速 利 用 这 些 升 级 的 组 件 所 带 来 的 新 技 术 随 着 商 业 PC 的 总 线 技 术 从 PCI 演 进 到 了 PCI Express, 显 著 地 拓 展 了 总 线 的 可 用 带 宽,PXI 也 将 PCI Express 集 成 到 PXI 标 准 中, 以 满 足 更 中 集 成 了 PCI Express 技 术 之 后, 仍 然 维 持 与 原 有 系 统 的 后 向 兼 容 性 通 过 利 用 PCI Express 技 术,PXI Express 将 PXI 中 的 可 用 带 宽 从 132MB/s 提 高 到 6GB/s, 提 高 了 45 倍 多 与 此 同 时, 还 可 以 维 持 与 原 有 PXI 模 块 间 的 软 件 硬 件 兼 容 性 正 是 由 于 此 性 能 的 增 强,PXI 可 用 于 许 多 新 的 应 用 领 域, 其 中 很 多 应 用 在 以 前 只 能 由 昂 贵 的 专 用 硬 件 (proprietary hardware) 实 现 PXI 规 范 的 设 计 基 于 了 如 下 一 些 考 虑 能 在 严 酷 的 工 业 环 境 下 工 作 PXI 规 范 定 义 了 PXI 系 统 能 胜 任 配 的 高 性 能 IEC 接 口 在 各 种 条 件 下 都 能 提 供 最 好 的 电 气 性 能 PXI 的 机 械 封 装 采 用 了 欧 卡 结 构, 该 结 构 也 被 CompactPCI VME 和 VXI 采 用, 在 工 业 环 境 中 有 长 期 成 功 的 应 用 历 史 此 外,PXI 规 范 还 定 义 了 保 证 工 业 环 境 中 操 作 所 需 的 特 殊 冷 却 和 环 境 要 求 共 享 硬 件 资 源 以 减 小 体 积 在 这 种 模 块 化 架 构 下, 所 有 模 块 化 仪 器 可 以 共 享 控 制 器 电 源 以 及 显 示 单 元, 从 而 可 以 显 著 减 小 测 试 仪 器 的 体 积, 并 降 低 功 耗 PXI 规 范 还 要 求 对 所 有 的 机 箱 进 行 强 制 的 空 气 冷 却 并 推 荐 进 行 完 整 的 环 境 测 试, 包 括 温 多 的 应 用 需 求 PCI 工 业 制 造 商 协 会 (PICMG, 管 理 CompactPCI 标 准 ) 与 图 1 PXI 及 PXI Express 机 箱 为 模 块 化 系 统 集 成 提 供 了 极 佳 的 定 时 和 同 步 性 能 37

14 技 技 术 追 踪 度 测 试 湿 度 测 试 振 动 测 试 以 及 电 流 冲 击 测 试 所 有 的 PXI 产 品 都 应 该 能 提 供 这 些 测 试 结 果 文 件, 并 提 供 工 作 及 储 存 温 度 范 围 PXI 规 范 同 样 要 求 进 行 电 磁 兼 容 性 测 试 以 保 证 可 以 符 合 相 关 国 际 标 准 的 要 求 多 模 块 和 多 机 箱 之 间 的 同 步 PXI 系 统 的 一 个 关 键 优 势 在 于 集 成 了 定 时 和 同 步 特 性, 这 可 以 减 少 不 同 仪 器 之 间 实 现 触 发 和 同 步 功 能 的 复 杂 性 :PXI 机 箱 背 板 上 整 合 了 一 个 10MHz 的 专 用 系 统 参 考 时 钟 ( 图 1), 通 过 等 长 的 背 板 走 线 传 输 到 各 插 槽, 各 插 槽 之 间 的 时 钟 偏 差 小 于 1ns;10MHz 系 统 时 钟 的 精 度 是 由 机 箱 决 定 的, 典 型 值 小 于 百 万 分 之 25 (25ppm), 并 且 通 过 在 机 箱 的 星 形 触 发 插 槽 ( 槽 位 2) 安 装 一 块 具 有 更 稳 定 时 钟 源 的 板 卡 ( 例 如 拥 有 板 载 OCXO 的 NI PXI-6653) 来 取 代 背 板 的 10MHz 时 钟, 达 到 更 高 稳 定 性 不 同 模 块 上 速 率 更 高 的 采 样 时 钟 可 以 锁 相 至 该 稳 定 的 10MHz 参 考 时 钟, 从 而 提 高 多 个 模 块 化 仪 器 之 间 的 同 步 性 能 也 可 以 输 出 这 个 10MHz 时 钟, 用 以 同 步 多 个 PXI 机 箱 和 其 他 模 块 仪 器 时 作 为 参 考 时 钟 除 了 参 考 时 钟, PXI 背 板 上 也 提 供 由 8 条 TTL 传 输 线 组 成 的 触 发 总 线, 从 而 允 许 系 统 中 的 任 意 模 块 都 可 设 置 一 个 可 以 被 其 他 任 意 模 块 检 测 到 的 触 发 信 号 差 分 星 形 触 发 总 线 采 用 差 分 时 钟 和 同 步,PXI Express 系 统 中 仪 器 时 钟 的 抗 噪 声 性 能 进 一 步 提 高, 并 且 可 以 以 更 高 速 率 传 输 数 据 因 此, 除 了 标 准 的 PXI 定 时 和 同 步 信 号 外,PXI Express 机 箱 应 提 供 这 些 额 外 的 定 时 和 同 步 功 能 为 进 一 步 简 化 系 统 集 成 而 对 软 件 提 出 的 要 求 除 了 电 气 要 求 外, 为 了 使 系 统 集 成 变 得 更 简 易,PXI 同 样 规 定 了 对 软 件 的 要 求 这 些 要 求 包 括 使 用 标 准 操 作 系 统 架 构, 以 及 对 所 有 外 围 设 备 模 块 使 用 合 适 的 配 置 信 息 和 软 件 驱 动 PXI Express 系 统 同 样 强 调 软 件 兼 容 性, 因 此 当 升 级 PXI 到 PXI Express 系 统 时, 无 须 更 换 驱 动 和 应 用 软 件 PXI 规 范 的 最 新 发 展 PCI Express 和 PCI Express 2.0 正 如 本 文 开 头 所 提 到 的,PCI Express 相 比 PCI 可 增 加 超 过 45 倍 的 总 线 吞 吐 量 ( 见 图 2) 正 是 由 于 此 性 能 的 增 强,PXI Express 可 以 用 于 很 多 新 型 应 用, 例 如 : * 利 用 高 带 宽 的 中 频 仪 器 进 行 通 信 系 统 测 试 * 高 速 数 字 协 议 接 口 ( 包 括 基 于 LVDS 的 专 用 协 议 IEEE 1394 光 纤 信 道 等 ) * 用 于 结 构 和 声 学 测 试 的 高 通 道 数 数 据 采 集 * 高 速 图 像 采 集 PCI-SIG 一 个 被 授 权 致 力 于 PCI 总 线 规 范 开 发 的 组 织, 于 2007 年 1 月 公 布 了 PCI Express 2.0 规 范 ( 也 被 称 为 PCI Express Gen2) PCI Express Gen2 规 范 将 总 线 的 传 输 速 率 从 2.5GT/s 增 至 5.0GT/s, 相 当 于 在 PCI Express Gen1 的 基 础 上 使 数 据 传 输 速 率 增 加 了 一 倍, 同 时 还 对 PCI Express Gen1 的 硬 件 和 软 件 完 全 兼 容 工 程 师 和 科 学 家 可 以 期 待 着 融 合 这 一 新 的 发 展 成 果 的 PXI Express 产 品 的 出 现, 以 进 一 步 增 强 PXI 平 台 的 性 能 当 PCI Express 技 术 被 集 成 到 PXI 中, 可 以 基 于 PXI Express 实 现 许 多 新 应 用, 不 过 许 多 现 有 的 PXI 仪 器, 诸 如 数 字 万 用 表 (DMM) 开 关 模 块 工 业 I/O 低 速 总 线 接 口 等 并 不 需 要 以 PXI 为 基 础,PXI Express 提 供 了 更 多 的 定 时 和 同 步 功 能 100MHz 的 差 分 系 统 时 钟 差 分 信 号 传 输 以 及 图 2 利 用 PCI Express 提 供 的 更 高 的 数 据 带 宽 和 更 低 的 传 输 延 迟,PXI Express 系 统 可 以 更 好 满 足 高 频 应 用 高 速 数 字 接 口 以 及 高 速 图 像 采 集 等 新 的 应 用 需 求 背 板 新 增 的 带 宽 因 此,PXI Express 规 范 的 一 个 非 常 有 价 值 38

15 技 术 追 踪 踪 的 方 面 就 是 后 向 兼 容 : 仪 器 厂 商 并 不 需 要 针 对 新 的 PXI Express 背 板 而 重 新 设 计 所 有 的 现 有 板 卡 模 块, 拥 有 PXI 模 块 的 用 户 也 可 以 把 基 于 PXI 规 范 的 仪 器 插 入 PXI Express 的 机 箱, 从 而 保 持 之 前 的 投 资 PXImc 继 将 PCI Express 技 术 引 入 PXI 规 范 之 后,PXI 系 统 联 盟 于 2009 年 11 月 发 布 了 PXI MultiComputing (PXImc) 规 范 来 满 足 日 益 增 长 的 构 建 更 大 更 复 杂 测 控 系 统 的 需 要 PXImc 通 过 定 义 特 别 的 硬 件 和 软 件 接 口, 允 许 不 同 的 PXI Express 系 统 ( 分 别 拥 有 各 自 独 立 的 控 制 器 ) 通 过 PCI Express 总 线 实 现 相 互 通 信 ( 通 过 PCI Express 非 透 明 桥 接 器 NTB), 从 而 为 分 布 式 处 理 应 用 提 供 了 一 个 拥 有 多 个 多 核 CPU 的 系 统 解 决 方 案 PXImc 规 范 同 样 的 定 义 了 如 何 在 PXI Express 机 箱 中 使 用 附 加 控 制 器 来 提 升 系 统 的 总 处 理 能 力, 这 对 一 些 有 大 运 算 量 处 理 要 求 同 时 又 有 体 积 或 有 可 移 动 性 要 求 的 测 试 测 量 应 用 而 言, 是 一 个 理 想 解 决 方 案 总 结 PXI 是 一 种 基 于 商 业 现 成 可 用 (COTS) 技 术 的 可 重 配 置 的 平 台, 并 能 适 应 当 今 与 未 来 测 控 系 统 的 发 展 需 求 从 1998 年 PXI 标 准 诞 生 以 来,PXI 平 台 发 展 迅 速, 被 用 于 各 种 有 测 量 控 制 或 自 动 化 需 求 的 实 际 应 用,PXI 被 选 为 数 千 种 应 用 的 实 现 平 台 2011 全 国 虚 拟 仪 器 设 计 大 赛 圆 满 落 幕 2011 全 国 虚 拟 仪 器 设 计 大 赛 ( 以 下 简 称 大 赛 ) 于 5 月 15 日 在 北 京 举 行 了 隆 重 的 颁 奖 典 礼, 工 业 与 信 息 化 部 电 子 信 息 司 副 巡 视 员 王 勃 华 教 授 中 国 科 协 学 会 学 术 工 作 部 朱 雪 芬 副 部 长 中 国 计 量 科 学 研 究 院 首 席 科 学 家 及 中 国 工 程 院 张 钟 华 院 士 中 国 仪 器 仪 表 学 会 名 誉 理 事 长 陆 廷 杰 副 理 事 长 兼 秘 书 长 吴 幼 华 教 育 部 高 等 学 校 仪 器 科 学 与 技 术 教 学 指 导 委 员 会 副 主 任 委 员 陈 祥 光 清 华 大 学 副 校 长 袁 驷 美 国 国 家 仪 器 公 司 全 球 副 总 裁 Ray Almgren, 以 及 来 自 全 国 四 十 余 所 高 校 的 200 余 名 专 家 教 授 和 学 生 代 表 出 席 了 本 次 颁 奖 典 礼 本 次 全 国 虚 拟 仪 器 设 计 大 赛 由 中 国 仪 器 仪 表 学 会 教 育 部 高 等 学 校 仪 器 科 学 与 技 术 教 学 指 导 委 员 会 联 合 主 办, 清 华 大 学 中 国 仪 器 仪 表 学 会 虚 拟 仪 器 与 网 络 化 系 统 分 会 中 国 仪 器 仪 表 学 会 电 子 测 量 与 仪 器 分 会 精 密 测 试 技 术 及 仪 器 国 家 重 点 实 验 室 共 同 承 办, 美 国 国 家 仪 器 (NI) 公 司 协 办 本 次 大 赛 共 有 来 自 全 国 184 所 高 校 的 915 支 代 表 队 报 名 参 赛, 实 际 参 赛 作 品 462 份 大 赛 组 委 会 本 着 公 平 公 正 公 开 的 原 则, 组 织 来 自 20 余 所 高 校 研 究 院 所 和 企 业 的 45 名 专 家 分 别 参 与 了 大 赛 的 命 题 和 评 审 工 作 大 赛 分 设 软 件 和 综 合 两 大 类 共 4 个 组 别 分 别 是 软 件 组 基 于 PC 的 数 据 采 集 组 模 块 化 的 PXI 组 嵌 入 式 测 控 组 经 过 初 赛, 共 评 选 出 40 支 代 表 队, 于 5 月 14 日 在 京 进 行 最 终 决 赛, 并 产 生 了 各 组 的 一 二 三 等 奖, 以 及 大 赛 的 唯 一 特 等 奖 清 华 大 学 代 表 队 的 作 品 幻 影 显 示 系 统 构 建 了 一 个 低 成 本 可 互 动 的 裸 眼 3D 显 示 系 统 模 型, 体 现 了 设 计 思 想 的 创 新 性, 技 术 发 展 的 实 用 性 和 对 光 机 电 一 体 化 应 用 的 深 刻 理 解, 获 得 大 赛 特 等 奖 获 得 大 赛 一 等 奖 的 作 品 有 浙 江 大 学 的 生 物 传 感 器 课 件 国 防 科 学 技 术 大 学 的 安 防 卫 士 哈 尔 滨 工 业 大 学 的 星 载 降 水 测 量 雷 达 综 合 测 试 系 统 和 吉 林 大 学 的 车 联 网 演 示 系 统 其 他 35 支 代 表 队 分 别 获 得 了 二 等 奖 三 等 奖 以 及 优 秀 奖 东 南 大 学 清 华 大 学 电 子 科 技 大 学 上 海 海 事 大 学 中 国 地 质 大 学 ( 北 京 ) 吉 林 大 学 首 都 师 范 大 学 哈 尔 滨 工 业 大 学 北 京 邮 电 大 学 国 防 科 学 技 术 大 学 由 于 在 本 次 大 赛 中 积 极 努 力 组 织 本 校 学 生 参 赛 并 取 得 较 好 成 绩, 获 得 了 组 委 会 颁 发 的 优 秀 院 校 组 织 奖 本 次 大 赛 还 得 到 了 企 业 界 的 广 泛 关 注, 中 科 泛 华 和 上 海 聚 星 从 软 件 组 和 嵌 入 式 测 控 组 各 选 出 3 个 参 赛 作 品 授 予 泛 华 测 控 特 别 奖 和 聚 星 特 别 奖 2011 全 国 虚 拟 仪 器 设 计 大 赛 历 时 315 天, 吸 引 了 数 以 千 计 的 高 校 学 子 踊 跃 参 与, 他 们 创 新 的 思 维 科 学 的 态 度 刻 苦 的 精 神 和 顽 强 的 斗 志 给 大 家 留 下 了 深 刻 的 印 象 体 现 了 我 国 虚 拟 仪 器 技 术 发 展 的 蓬 勃 生 机 39

16 特 别 报 道 电 子 器 件 分 销 商 RS 公 司 积 极 拓 展 在 华 业 务 随 着 外 资 电 子 公 司 在 国 内 设 置 研 发 中 心 和 本 土 电 子 公 司 的 崛 起, 电 子 器 件 分 销 商 也 纷 纷 开 始 加 大 投 入, 以 期 能 尽 快 占 据 有 利 位 置 老 牌 的 分 销 商 RS Components 公 司 就 在 近 期 扩 充 了 库 存 容 量, 并 扩 建 了 在 上 海 的 分 拨 中 心 RS Components 公 司 是 最 早 进 入 中 国 市 场 的 分 销 企 业, 其 在 全 世 界 范 围 内 拥 有 150 万 客 户 通 过 遍 布 27 个 国 家 的 运 营 网 络 和 17 个 仓 库, 集 团 分 销 包 括 半 导 体 光 电 子 电 源 工 具 防 护 服 等 在 内 的 50 万 种 产 品, 为 研 发 生 产 前 段 保 养 维 修 等 产 品 生 命 周 期 各 个 环 节 提 供 产 品 与 服 务, 订 单 同 日 发 货 量 实 现 约 4 万 件 作 为 目 录 分 销 商,RS 与 2500 家 供 应 商 建 立 的 联 系, 利 用 强 大 的 物 流 渠 道, 为 电 子 工 程 师 提 供 不 设 下 限 的 送 货 服 务 现 有 的 销 售 方 案 包 括 : 高 端 服 务 企 业 客 户 服 务 ; 纸 质 目 录 与 传 真 / 电 话 订 购 ; 数 字 目 录 ; 全 天 候 电 子 商 务 销 售 渠 道 和 自 助 取 货 交 易 柜 台 中 国 目 前 已 经 是 世 界 上 最 大 的 半 导 体 市 场, 为 了 满 足 不 断 增 长 的 需 求,RS 公 司 将 位 于 上 海 自 由 贸 易 区 外 高 桥 保 税 区 的 分 拨 中 心 容 量 翻 番, 新 扩 建 后 的 分 拨 中 心 总 面 积 为 4942 平 方 米, 是 原 来 仓 库 面 积 的 两 倍 新 分 拨 中 心 将 同 时 库 存 保 税 和 非 保 税 产 品, 有 效 保 证 次 日 交 付 的 服 务 承 诺 在 增 加 库 容 的 同 时, 该 公 司 将 库 存 产 品 的 种 类 增 加 到 13.5 万 类 这 样, 将 可 为 中 国 200 个 城 市 提 供 次 日 交 付 服 务 上 海 新 建 分 拨 中 心 的 落 成 仅 仅 是 RS Components 在 中 国 以 及 全 亚 太 区 远 期 投 资 战 略 迈 出 的 第 一 步 作 为 领 先 分 销 商,RS 利 用 分 布 于 全 区 各 地 的 仓 库 投 资 推 广 并 库 存 所 有 高 需 求 产 品, 最 大 程 度 为 客 户 的 选 购 提 供 方 便 RS 在 亚 太 区 拥 有 约 1000 名 员 工, 仅 中 国 大 陆 团 队 就 有 260 名 成 员 为 支 持 扩 充 计 划,RS 也 将 在 近 期 内 增 加 国 内 员 工 人 数 亚 太 区 董 事 总 经 理 Richard Huxley 表 示 : 作 为 中 国 及 亚 太 区 最 大 的 电 子 和 维 修 产 品 高 端 服 务 分 销 商, 我 们 深 知 今 天 的 市 场 瞬 息 万 变 竞 争 激 烈, 运 营 能 力 与 商 品 上 市 速 度 (speed to market) 至 关 重 要 公 司 整 体 业 务 模 式 都 是 以 产 品 交 付 速 度 以 及 产 品 选 择 设 计 / 更 换 与 购 买 的 简 捷 方 便 性 等 为 主 要 策 略 客 户 之 所 以 选 择 RS Components, 是 因 为 我 们 始 终 是 客 户 诚 信 可 靠 的 忠 实 伙 伴 在 扩 容 的 同 时,RS 公 司 还 在 产 品 目 录 上 做 出 了 改 进 最 新 的 2011 年 目 录 还 采 用 了 最 新 USB 数 字 版 形 式 发 布, 包 括 15 万 种 产 品 信 息 这 种 以 USB 形 式 推 出 的 2011 年 产 品 目 录 旨 在 吸 引 精 通 科 技 的 新 一 代 工 程 师 为 应 对 客 户 不 断 变 化 的 工 作 模 式 与 客 户 越 来 越 高 的 流 动 性,RS 创 建 数 字 目 录 旨 在, 为 工 作 繁 忙 的 广 大 工 程 师 能 够 更 加 方 便 地 查 阅 15 万 余 种 产 品 的 详 细 信 息 数 字 目 录 能 够 显 著 提 高 RS Components 客 户 的 浏 览 选 择 与 购 买 效 率 目 录 中 囊 括 的 所 有 产 品 在 亚 太 区 均 有 库 存, 可 随 时 发 货 网 络 的 发 展 和 中 国 齐 备 的 基 础 设 施 是 Rs Components 在 华 扩 容 的 必 要 条 件, 而 中 国 电 子 制 造 业 的 大 发 展 则 是 其 扩 容 的 充 分 条 件 相 信 随 着 更 多 企 业 的 跟 进, 中 国 的 工 程 师 将 会 方 便 的 用 到 国 际 上 最 先 进 的 电 子 器 件 40

17 照 明 及 光 电 特 刊 LED 灯 为 何 难 入 家 庭 北 京 航 空 航 天 大 学 方 佩 敏 电 灯 的 发 明 给 人 类 带 来 了 更 多 的 光 明, 随 着 科 学 技 术 的 进 步, 家 庭 用 的 电 灯 历 经 了 几 代 的 发 展 : 第 一 代 是 白 炽 灯 ( 钨 丝 灯 ), 第 二 代 是 日 光 灯, 第 三 代 是 紧 凑 型 日 光 灯 ( 节 能 灯 ), 第 四 代 是 LED 灯 目 前, 白 炽 灯 逐 渐 退 出 历 史 舞 台 ( 有 些 国 家 已 不 再 生 产 白 炽 灯 泡 ), 而 节 能 灯 经 过 不 断 的 改 进, 性 能 逐 渐 提 高 且 价 格 降 低, 由 于 它 节 能 效 果 较 好, 政 府 大 力 推 广, 目 前 已 成 为 家 庭 中 的 主 要 照 明 灯 LED 灯 的 发 展 很 快, 在 LED 背 光 照 明 ( 手 机 电 视 机 电 脑 ) 亮 丽 工 程 汽 车 内 外 照 明 商 业 照 明 及 工 业 照 明 等 方 面 已 得 到 广 泛 的 应 用, 而 LED 灯 在 家 庭 中 的 应 用 还 极 少, 本 文 将 探 讨 一 下 LED 灯 为 何 难 入 家 庭 LED 及 驱 动 器 的 发 展 概 况 LED 灯 的 主 要 电 子 器 件 是 白 光 LED 及 配 套 的 驱 动 器, 这 里 简 单 的 介 绍 其 发 展 概 况 照 明 用 的 LED 是 白 光 LED 白 光 LED 的 上 市 到 2011 年 刚 好 是 10 年 这 10 年 中, 白 光 LED 在 材 料 上 结 构 上 工 艺 上 不 断 地 改 进 提 高, 使 其 在 性 能 上 有 长 足 的 进 步 品 种 增 加, 并 且 价 位 逐 年 下 降 例 如, 在 4 年 前, 白 光 LED 的 发 光 效 率 为 40~601m/W,2 年 前 则 提 高 到 80~100lm/W, 而 到 今 年 则 达 到 1201m/W, 有 一 些 还 超 过 1201m/ W 在 白 光 LED 刚 上 市 时, 一 个 Φ5 0.06W 白 光 LED 要 2~3 元 / 个, 而 现 今,2~3 元 可 买 到 1~3W 大 功 率 白 光 LED 3 年 前, 国 外 名 牌 顶 级 3W 白 光 LED 要 30 元 左 右 / 只, 而 今 年 降 到 10 元 左 右 / 只, 订 购 批 量 大 时 单 价 为 6 元 LED 灯 的 生 产 量 增 加 促 使 驱 动 器 IC 的 发 展, 各 半 导 体 器 件 厂 生 产 出 各 种 LED 灯 的 驱 动 器 IC 以 满 足 市 场 的 需 要 用 于 交 流 市 电 供 电 的 LED 驱 动 器 IC 还 带 有 功 率 因 数 校 正 电 路 (PFC), 使 功 率 因 数 >0.95, 效 率 >85% 不 少 公 司 生 产 不 同 输 出 功 率 的 成 品 驱 动 器 模 块 ( 从 几 W 到 几 十 W), 输 出 恒 流 精 度 优 于 ±5%, 使 生 产 LED 灯 更 为 简 单 LED 及 LED 驱 动 器 的 发 展 给 LED 灯 的 设 计 及 生 产 创 造 极 好 的 条 件, 并 且 降 低 了 LED 的 生 产 成 本 LED 灯 在 家 庭 应 用 状 况 LED 灯 最 主 要 的 应 用 是 景 观 灯 它 在 北 京 奥 运 会 上 海 世 博 会 广 州 亚 运 会 上 出 足 风 头, 使 这 些 场 所 增 光 添 彩 既 亮 又 丽, 宏 伟 的 场 面 使 人 惊 叹 欢 呼 激 动, 效 果 极 好 目 前 室 内 照 明 主 要 应 用 于 商 业 照 明, 应 用 于 商 场 展 览 馆 舞 台 娱 乐 场 所 酒 吧 咖 啡 馆 宾 馆 及 餐 饮 业 它 既 有 照 明 功 能 并 兼 有 装 饰 功 能 而 一 般 家 庭 中 LED 灯 应 用 极 少, 基 本 上 还 未 启 动 只 有 少 数 家 庭 有 一 些 阅 读 灯 台 灯 床 头 灯 及 用 于 装 饰 的 小 射 灯, 在 厨 房 卫 生 间 阳 台 走 廊 上 用 一 些 2~3W LED 球 泡 ( 大 部 分 是 E27 标 准 灯 头 ) LED 灯 比 节 能 灯 更 节 能, 在 大 力 提 倡 节 能 减 排 的 今 天, 为 什 么 LED 灯 难 以 进 入 千 家 万 户 呢? 难 以 进 入 家 庭 的 几 个 难 点 LED 灯 为 什 么 难 以 进 入 家 庭, 这 里 提 出 一 些 粗 浅 的 看 法 这 些 难 点 有 : 1. 零 售 价 太 高, 难 以 让 人 接 受 ( 不 仅 农 村 居 民 难 以 接 受, 即 使 城 市 居 民 也 难 以 接 受 ) LED 灯 目 前 的 价 格 与 节 能 灯 及 白 炽 灯 相 比 较 价 格 最 高, 如 表 1 所 示 表 1 15~40W 5~10W 3~5W 白 炽 灯 泡 节 能 灯 LED 球 泡 2~3 元 7~18 元 40~80 元 注 : 由 于 品 牌 不 同, 输 出 功 率 不 同, 这 里 列 出 的 只 是 参 考 价 ( 网 上 零 售 价, 不 包 括 邮 寄 费 ) 42

18 照 明 及 光 电 特 刊 表 1 中 只 是 一 般 中 等 价, 不 包 括 高 档 的 产 品 价 例 如, 飞 利 浦 5W LED 球 泡 要 135 元 / 个, 广 东 某 厂 生 产 的 3~5W LED 球 泡 竟 要 155 元 / 个 2. 高 档 LED 的 生 产 技 术 与 国 外 相 比 还 有 一 定 距 离, 一 些 尖 端 生 产 技 术 掌 握 在 外 国 人 手 里 国 内 生 产 LED 的 厂 不 少, 但 大 多 是 封 装 厂 ( 晶 圆 是 进 口 的, 国 内 做 切 割 封 装 工 作 ), 大 部 分 利 润 落 入 外 国 人 腰 包, 并 且 LED 的 价 位 也 受 他 们 的 控 制 3. 节 能 灯 的 生 产 已 有 30 多 年 历 史, 不 仅 生 产 已 形 成 规 模, 并 且 有 大 量 出 口 现 在 不 仅 能 生 产 家 庭 常 用 的 5~ 13W 节 能 灯, 逐 年 来 开 发 出 小 功 率 3W 节 能 灯, 并 开 发 出 100~200W 的 大 功 率 节 能 灯, 并 且 质 量 也 有 提 高, 例 如, 寿 命 已 超 过 6000 小 时, 可 达 6 年 使 用 寿 命 国 内 为 实 现 节 能 减 排, 提 倡 用 节 能 灯 替 代 白 炽 灯, 政 府 实 行 节 能 灯 补 贴 政 策, 推 广 节 能 灯 的 绿 照 工 程 而 LED 灯 的 生 产 时 间 不 长, 形 成 生 产 规 模 的 企 业 不 多, 而 生 产 家 庭 用 灯 的 企 业 更 少 目 前 大 多 数 生 产 LED 灯 的 企 业, 规 模 小, 有 的 还 是 作 坊 式 生 产 生 产 设 备 工 艺 落 后, 质 量 难 以 保 证 4. 目 前 一 些 生 产 LED 的 企 业 为 了 降 低 生 产 成 本, 在 电 路 上 缺 少 安 全 保 护 装 置, 因 此 容 易 造 成 过 压 过 流 故 障 使 LED 灯 损 坏, 即 可 靠 性 较 差 虽 然 说 LED 有 小 时 的 长 寿 命, 但 实 际 应 用 中 往 往 用 不 到 数 千 小 时 就 坏 了 另 外, 有 一 些 LED 生 产 厂 采 用 的 LED 光 衰 太 大, 用 不 了 几 个 月,LED 灯 亮 度 有 较 大 的 降 低, 即 某 些 LED 灯 没 有 真 正 的 过 关 5. 目 前 LED 灯 的 市 场 混 乱, 劣 质 低 价 LED 灯 充 斥 市 场 ( 三 无 产 品 ), 这 不 仅 仅 使 买 者 在 经 济 上 受 损 失, 并 且 造 成 了 对 LED 灯 质 量 的 不 信 任 ; 另 一 方 面 对 正 规 采 用 优 质 元 器 件 生 产 的 LED 灯 企 业 来 说, 劣 质 低 价 LED 灯 造 成 他 们 在 销 售 上 的 难 度 6. 投 资 者 的 顾 虑 是 要 降 低 生 产 成 本 必 须 要 大 批 量 生 产 ( 如 月 生 产 量 为 5 ~10 万 只 LED 灯, 或 更 大 量 ), 要 大 量 生 产, 要 先 进 设 备 及 较 大 厂 房, 投 资 很 大, 但 目 前 家 庭 用 LED 灯 市 场 还 未 建 立, 市 场 的 建 立 开 拓 要 较 长 的 时 间, 并 且 要 较 大 的 资 金 投 入, 则 资 金 的 回 收 时 间 更 长, 要 担 较 大 的 风 险, 这 是 顾 虑 之 一 目 前 LED 灯 的 质 量,( 特 别 是 可 靠 性 ) 还 不 太 理 想, 价 格 又 太 高, 不 是 抢 手 货, 这 是 顾 虑 之 二 其 三 是 目 前 市 场 混 乱, 销 售 难 度 较 大, 投 资 者 认 为 LED 灯 是 一 个 有 发 展 前 途 的 好 产 品, 有 较 大 的 市 场, 但 目 前 还 在 观 望 其 中 一 些 投 资 者 投 入 商 业 用 LED 灯 或 工 矿 业 用 LED 灯 的 生 产, 这 些 灯 有 较 高 的 利 润 ( 是 单 位 购 买, 非 个 人 购 买 ), 并 且 不 少 是 接 订 单 后 才 生 产, 投 资 风 险 小 结 语 要 求 LED 灯 进 入 千 家 万 户, 要 改 进 的 工 作 不 少, 其 中 有 :LED 本 身 的 发 光 效 率 进 一 步 提 高, 光 衰 进 一 步 降 低, 这 可 以 降 低 LED 成 本 及 提 高 LED 灯 质 量 ; 提 高 驱 动 电 路 的 可 靠 性, 使 LED 灯 的 寿 命 真 正 达 到 小 时 ;LED 灯 在 家 庭 的 应 用 推 广 也 要 有 政 府 的 扶 持, 因 为 LED 灯 比 节 能 灯 更 节 能 ; 要 整 顿 LED 灯 市 场, 严 禁 劣 质 低 价 LED 灯 ( 三 无 产 品 ) 上 市 ERNI 电 子 新 推 出 高 速 高 密 度 的 ERmet ZDHD 连 接 器 ERNI 新 推 出 的 ZDHD 连 接 器 乃 传 递 高 速 差 分 信 号 的 子 卡 对 背 板 连 接 器, 也 是 标 准 ERmet ZD 连 接 器 系 列 的 高 密 度 延 伸 版 其 经 优 化 的 底 盘 可 改 善 电 气 特 性, 同 时 提 供 高 达 25Gb/ s 的 数 据 传 输 率 ZDHD 的 设 计 是 基 于 机 械 设 计 经 验 证 的 ERmet ZD 系 列, 即 每 个 差 分 对 带 1 个 L 形 屏 蔽 与 ZD 连 接 器 相 较 之 下,ZDHD 缩 短 了 列 间 距 以 及 差 分 对 间 距, 以 满 足 客 户 对 于 信 道 密 度 的 需 求 ZDHD 目 前 备 有 每 英 寸 84 对 差 分 信 号 的 版 本, 几 乎 相 等 于 ERmet ZD 系 列 的 两 倍, 是 市 场 中 具 有 最 高 信 道 密 度 的 连 接 器 之 一 除 了 普 遍 采 用 的 100Ω 差 分 阻 抗, 随 着 电 子 封 装 元 件 和 系 统 的 微 型 化, 以 及 高 速 信 号 传 输 的 趋 势, 市 场 和 技 术 正 迈 向 使 用 85Ω 差 分 阻 抗 根 据 大 众 市 场 的 需 求,ERNI 将 首 推 100Ω 差 分 阻 抗 的 标 准 ZDHD 连 接 器, 并 能 够 应 客 户 要 求 提 供 85Ω 版 本 43

19 照 明 及 光 电 特 刊 从 单 节 光 伏 电 池 收 集 能 量 凌 力 尔 特 公 司 Nathan Bourgoine 为 了 简 化 仪 器 监 视 和 控 制 应 用 的 无 线 通 信 所 需 的 配 电 系 统, 电 源 设 计 师 努 力 寻 找 不 依 赖 电 网 的 器 件 电 池 显 然 是 立 即 能 想 到 的 解 决 方 案, 让 人 们 产 生 了 能 不 依 赖 电 网 的 幻 想, 但 是 电 池 需 要 更 换 或 再 充 电, 这 意 味 着 最 终 还 是 要 连 接 到 电 网 上, 而 且 需 要 昂 贵 的 人 工 干 预 和 维 护 我 们 提 出 用 能 量 收 集 的 方 法, 使 用 这 种 方 法 时, 能 量 是 从 紧 挨 着 仪 器 的 环 境 中 收 集 的, 无 需 连 接 到 电 网 就 可 以 使 仪 器 永 久 运 行, 而 且 最 大 限 度 地 减 少 或 消 除 了 维 护 需 求 可 以 收 集 各 种 环 境 能 源 以 产 生 电 能, 包 括 机 械 振 动 温 度 差 和 入 射 光 其 中, 光 伏 能 量 收 集 有 广 泛 的 适 用 范 围, 因 为 光 几 乎 到 处 都 有, 光 伏 (PV) 电 池 价 格 相 对 较 低, 而 且 与 其 他 环 境 能 量 收 集 解 决 方 案 相 比, 能 产 生 相 对 较 高 的 功 率 因 为 光 伏 能 量 收 集 方 法 提 供 相 对 较 高 的 能 量 输 出, 所 以 可 用 来 给 无 线 传 感 器 节 点 供 电, 还 可 用 来 给 较 高 功 率 的 电 池 充 电 应 用 供 电, 以 延 长 电 池 寿 命, 从 而 在 某 些 情 况 下 完 全 无 需 有 线 充 电 串 联 连 接 的 高 压 光 伏 电 池 组 能 提 供 充 足 的 功 率, 但 单 节 光 伏 电 池 解 决 方 案 却 很 少 见, 因 为 单 节 光 伏 电 池 在 有 负 载 情 况 下 产 生 的 电 压 很 低, 从 这 么 低 的 电 压 难 以 产 生 有 用 的 电 源 轨 几 乎 没 有 升 压 型 转 换 器 能 从 电 压 很 低 阻 抗 相 对 较 高 的 单 节 光 伏 电 池 产 生 输 出 不 过, LTC3105 是 专 门 为 应 对 这 类 挑 战 而 设 计 该 器 件 具 有 超 低 的 250mV 启 动 电 压 和 可 编 程 最 大 功 率 点 控 制, 能 从 富 有 挑 战 性 的 光 伏 电 源 产 生 大 多 数 应 用 所 需 的 典 型 电 压 轨 (1.8~5V) 了 解 光 伏 电 池 电 源 可 以 用 一 个 电 流 源 与 一 个 二 极 管 并 联 来 建 立 光 伏 电 源 的 电 模 型, 如 图 1 所 示 更 复 杂 的 模 型 可 显 示 一 些 次 要 影 响, 但 是 就 我 们 的 目 的 而 言, 这 个 模 型 足 够 充 分 了 图 1 简 单 的 光 伏 电 池 模 型 反 映 光 伏 电 池 特 性 的 两 个 常 见 参 数 是 开 路 电 压 和 短 路 电 流 光 伏 电 池 的 典 型 电 流 和 电 压 曲 线 如 图 2 所 示 请 注 意, 短 路 电 流 是 该 模 型 电 流 发 生 器 的 输 出, 而 开 路 电 压 是 该 模 型 二 极 管 的 正 向 电 压 随 着 光 照 射 量 的 增 加, 该 发 生 器 产 生 的 电 流 也 增 加, 同 时 IV 曲 线 向 上 移 动 图 2 典 型 的 光 伏 电 池 I-V 曲 线 为 了 从 光 伏 电 池 抽 取 最 大 功 率, 电 源 转 换 器 的 输 入 阻 抗 必 须 与 电 池 的 输 出 阻 抗 匹 配, 从 而 使 系 统 能 在 最 大 功 率 点 上 工 作 图 3 显 示 了 一 个 典 型 的 单 节 光 伏 电 池 的 功 率 曲 线 为 了 确 保 抽 取 最 大 功 率, 光 伏 电 池 的 输 出 电 压 应 该 与 功 率 曲 线 的 峰 值 点 相 对 应 LTC3105 调 节 图 3 典 型 光 伏 电 池 的 功 率 曲 线 44

20 照 明 及 光 电 特 刊 提 供 给 负 载 的 输 出 电 流, 以 保 持 光 伏 电 池 的 电 压 等 于 最 大 功 率 点 控 制 引 脚 设 定 的 电 压 因 此 可 用 单 个 电 阻 器 设 定 最 大 功 率 点, 并 确 保 从 光 伏 电 池 抽 取 最 大 功 率 和 峰 值 输 出 充 电 电 流 可 提 供 多 少 功 率? 用 光 伏 电 池 可 产 生 多 少 功 率 取 决 于 多 种 因 素 电 池 的 输 出 功 率 与 投 射 到 电 池 上 的 光 强 度 电 池 的 总 面 积 以 及 电 池 的 效 率 成 正 比 大 多 数 光 伏 电 池 都 规 定 在 完 全 直 射 的 太 阳 光 (1000W/m 2 ) 下 使 用, 但 是 在 大 多 数 应 用 中, 不 可 能 有 这 么 理 想 的 条 件 就 依 靠 太 阳 光 工 作 的 设 备 来 说, 可 从 电 池 获 得 的 峰 值 功 率 可 能 非 常 容 易 变 化, 由 于 天 气 季 节 烟 雾 灰 尘 和 太 阳 光 入 射 角 的 变 化, 今 天 与 明 天 相 比 有 可 能 相 差 10 倍 在 充 足 的 太 阳 光 照 下, 晶 体 电 池 视 电 池 特 性 的 不 同 而 有 所 不 同, 典 型 输 出 功 率 约 为 每 平 方 英 寸 40mW 面 积 为 几 平 方 英 寸 的 光 伏 电 池 足 够 给 多 个 远 程 传 感 器 供 电 以 及 给 电 池 涓 流 充 电 了 图 4 最 大 功 率 点 控 制 机 制 相 比 之 下, 靠 室 内 照 明 光 工 作 的 设 备 可 用 能 量 要 少 得 多 常 见 的 室 内 照 明 光 的 强 度 约 为 充 足 太 阳 光 的 0.25%( 室 内 照 明 光 强 度 与 太 阳 光 强 度 的 巨 大 差 别 难 以 察 觉, 因 为 人 眼 能 适 应 很 宽 的 光 照 强 度 范 围 ) 室 内 应 用 可 用 的 光 照 量 低 得 多, 因 此 呈 现 了 一 些 设 计 上 的 挑 战 即 使 面 积 为 4 平 方 英 寸 的 大 型 高 效 率 晶 体 电 池, 在 典 型 办 公 室 照 明 条 件 下, 也 仅 能 产 生 860μW 功 率 选 择 最 大 功 率 点 控 制 电 压 图 4 显 示 了 LTC3105 使 用 的 最 大 功 率 点 控 制 机 制 的 模 型 图 3 显 示 了 光 伏 电 池 的 功 率 曲 线 请 注 意, 当 电 池 电 压 上 升 而 离 开 峰 值 功 率 点 时, 光 伏 电 池 的 功 率 就 会 从 峰 值 点 急 剧 下 降 因 此, 一 般 更 希 望 低 于 理 想 值 而 不 是 高 于 理 想 值 的 控 制 电 压, 因 为 功 率 曲 线 在 高 压 端 下 降 得 更 快 当 选 择 MPPC 跟 踪 电 压 时, 各 种 不 同 的 工 作 条 件 都 必 须 考 虑 一 般 情 况 下, 最 大 功 率 点 不 会 随 着 照 明 条 件 的 变 化 而 显 着 移 动 因 此, 有 可 能 做 到 的 是, 选 择 一 个 跟 踪 电 压, 以 在 很 宽 的 照 明 强 度 范 围 内, 保 持 靠 近 最 大 功 率 点 工 作 即 使 在 极 端 照 明 情 况 下, 工 作 点 可 能 不 是 准 确 地 位 于 最 大 功 率 点 上, 输 出 功 率 相 比 理 性 情 况 的 降 低 通 常 也 仅 为 5%~10% 就 图 5 所 示 功 率 曲 线 而 言,0.4V 的 MPPC 电 压 在 两 种 极 端 照 明 条 件 下 都 产 生 接 近 最 大 功 率 点 的 性 能 在 这 两 种 情 况 下, 与 最 大 功 率 点 之 间 的 电 压 差 约 为 20mV, 从 而 产 生 了 不 到 3% 的 功 率 损 失 作 为 一 个 经 验 法 则, 最 大 功 率 点 控 制 电 压 应 该 约 为 光 伏 电 池 开 路 电 压 的 75%~80% 让 电 池 跟 踪 这 样 的 电 压, 所 产 生 的 电 池 输 出 电 流 为 短 路 电 流 的 75%~80% 图 5 当 选 择 最 大 功 率 点 电 压 时, 选 择 较 低 的 电 压 以 避 免 电 压 陡 降 在 室 外 照 明 情 况 下 给 锂 离 子 电 池 充 电 使 用 光 伏 电 源 的 应 用 面 临 的 挑 战 之 一 是, 在 黑 暗 和 光 照 量 较 低 的 情 况 下, 输 入 功 率 不 足 就 大 多 数 应 用 而 言, 这 种 挑 战 使 得 有 必 要 使 用 能 量 存 储 组 件, 例 如 足 够 大 的 超 级 电 容 器 或 可 再 充 电 电 池, 以 在 最 长 预 期 黑 暗 时 间 内 也 能 正 常 供 电 利 用 图 6 所 示 的 LTC3105 电 路 和 一 个 2 英 寸 1 英 寸 的 多 晶 光 伏 电 池 给 锂 离 子 电 池 充 电, 所 测 得 的 充 电 电 流 曲 线 如 图 7 所 示 图 7 中 上 面 的 曲 线 显 示, 在 天 气 晴 朗 阳 光 充 足 的 典 型 情 况 下 的 充 图 6 锂 离 子 电 池 充 电 电 路 45

21 照 明 及 光 电 特 刊 电 电 流 ; 下 面 的 曲 线 则 显 示, 在 阴 云 密 布 时 观 察 到 的 充 电 电 流 即 使 在 这 类 光 照 量 很 低 的 情 况 下, 在 整 个 白 天 也 能 保 持 250μ A 或 更 大 一 些 的 充 电 电 流, 这 相 当 于 给 电 池 提 供 了 总 共 6mAh 的 充 电 图 7 两 平 方 英 寸 光 伏 电 池 的 充 电 曲 线 选 择 合 适 的 能 量 存 储 器 件 就 储 存 收 集 的 能 量 而 言, 有 很 多 可 选 方 案, 包 括 种 类 繁 多 的 可 再 充 电 电 池 技 术 和 高 能 量 密 度 电 容 器 没 有 一 种 技 术 能 适 用 于 所 有 应 用 为 应 用 选 择 存 储 组 件 时, 要 考 虑 很 多 因 素, 包 括 自 放 电 速 率 最 大 充 电 和 放 电 电 流 电 压 灵 敏 度 和 周 期 寿 命 在 光 伏 应 用 中, 自 放 电 速 率 尤 其 重 要 在 大 多 数 光 伏 电 源 应 用 中, 可 用 充 电 电 流 都 很 有 限, 高 的 自 放 电 速 率 可 能 消 耗 大 部 分 来 自 光 伏 电 源 的 可 用 能 量 有 些 能 量 存 储 组 件 ( 例 如 大 型 超 级 电 容 器 ) 自 放 电 电 流 也 许 超 过 100μ A, 这 又 可 能 显 着 减 少 白 天 充 电 周 期 积 累 的 净 电 荷 另 一 个 关 键 考 虑 因 素 是 能 量 存 储 器 件 的 充 电 速 率 例 如, 最 大 充 电 电 流 为 300μ A 的 锂 离 子 币 形 电 池 需 要 在 电 池 和 LTC3105 输 出 之 间 有 一 个 大 的 电 阻 器, 以 防 止 过 流 情 况 这 可 能 限 制 能 收 集 的 能 量, 从 而 减 少 可 用 于 应 用 的 能 量 图 8 用 单 节 光 伏 电 池 工 作 的 锂 离 子 涓 流 充 电 器 在 很 多 情 况 下, 充 电 速 率 与 另 一 个 重 要 因 素 周 期 寿 命 成 正 比 存 储 组 件 的 周 期 寿 命 决 定 该 组 件 不 用 维 护 可 以 在 现 场 工 作 多 长 时 间 一 般 而 言, 更 快 的 充 电 和 放 电 会 缩 短 组 件 的 工 作 寿 命 图 9 单 节 光 伏 电 池 镍 氢 金 属 电 池 涓 流 充 电 器 图 10 单 节 电 池 供 电 的 远 程 无 线 传 感 器 超 级 电 容 器 拥 有 非 常 长 的 周 期 寿 命, 而 用 相 对 较 高 的 电 流 ( 电 荷 >1C) 给 电 池 充 电 会 缩 短 寿 命 除 了 充 电 和 放 电 速 率, 每 个 充 电 / 放 电 周 期 的 深 度 也 可 能 影 响 电 池 寿 命, 周 期 越 深, 寿 命 越 短 某 些 类 型 的 电 池, 尤 其 是 锂 离 子 电 池 和 薄 膜 电 池, 最 高 和 最 低 电 压 都 必 须 仔 细 控 制 在 LTC3105 应 用 中, 最 高 充 电 电 压 得 到 了 良 好 控 制, 因 为 当 输 出 进 入 稳 定 状 态 后, 转 换 器 终 止 充 电 为 了 防 止 过 充 电,LTC3105 可 与 LTC4071 并 联 电 池 充 电 器 一 起 使 用, 如 图 8 所 示 结 论 LTC3105 是 一 款 完 整 的 单 芯 片 解 决 方 案, 适 用 于 从 低 成 本 单 节 光 伏 电 池 收 集 能 量 其 集 成 的 最 大 功 率 点 控 制 和 低 压 启 动 功 能 允 许 直 接 用 单 节 光 伏 电 池 工 作, 并 确 保 最 佳 能 量 抽 取 LTC3105 可 用 来 直 接 给 电 路 供 电, 或 给 能 量 存 储 器 件 充 电, 以 允 许 在 黑 暗 或 光 照 很 少 时 工 作 LTC3105 使 其 有 可 能 实 现 自 主 远 程 传 感 器 节 点 数 据 收 集 系 统, 以 及 其 他 要 求 不 依 赖 电 网 和 最 低 限 度 维 护 的 应 用 46

22 照 明 及 光 电 特 刊 为 不 同 DC-DC LED 照 明 应 用 选 择 适 合 的 开 关 驱 动 器 方 案 安 森 美 半 导 体 高 级 应 用 工 程 师 胡 高 明 高 亮 度 LED 的 应 用 领 域 越 来 越 广 要 使 LED 照 明 系 统 能 够 提 供 期 望 的 长 寿 命 等 优 势, 必 须 选 择 恰 当 的 LED 驱 动 方 案 就 LED 建 筑 物 及 室 内 照 明 应 用 而 言, 输 入 电 源 通 常 是 交 流 (AC) 主 电 源 而 景 观 照 明 低 压 道 路 照 明 太 阳 能 供 电 照 明 等 户 外 照 明 应 用, 以 及 汽 车 照 明 应 急 车 辆 照 明 船 舶 应 用 及 飞 机 内 部 照 明 等 应 用, 则 可 能 采 用 离 线 交 流 适 配 器 密 封 铅 酸 电 池 及 12V 直 流 (DC) 和 12V AC 电 源 等 输 入 电 源, 电 压 一 般 都 低 于 40V 这 些 LED 照 明 应 用 中, 某 些 输 入 电 源 的 稳 压 精 度 较 低, 如 汽 车 或 太 阳 能 供 电 船 舶 应 用 中 的 铅 酸 电 池 的 电 压 范 围 可 能 在 直 流 8 至 超 过 14V 之 间, 汽 车 应 用 中 电 压 范 围 甚 至 为 更 宽 的 7~27V 这 就 要 求 LED 驱 动 器 能 够 在 宽 输 入 电 压 范 围 内 工 作, 并 能 配 置 为 不 同 拓 扑 结 构, 配 合 负 载 要 求 典 型 DC/DC LED 驱 动 方 案 比 较 LED 驱 动 方 案 的 一 项 主 要 功 能 是 在 多 种 工 作 条 件 下 稳 流, 而 不 论 输 入 条 件 如 何 及 正 向 电 压 如 何 变 化 驱 动 方 案 必 须 符 合 能 效 外 形 因 数 成 本 及 安 全 性 方 面 的 应 用 要 求 同 时, 所 选 方 案 必 须 易 用 及 足 够 强 固, 从 而 适 应 特 定 应 用 的 严 格 环 境 典 型 DC/DC LED 驱 动 方 案 包 括 电 阻 恒 流 稳 流 器 (CCR) 线 性 驱 动 器 及 开 关 驱 动 器 等 电 阻 是 最 简 单 最 低 成 本 的 LED 稳 流 方 案 但 实 际 上 它 们 并 不 稳 流, 只 是 在 LED 正 向 电 压 变 化 及 输 入 电 源 电 压 变 化 并 导 致 电 流 变 化 从 而 引 起 LED 亮 度 变 异 时, 简 单 地 限 制 LED 最 大 电 流 对 于 低 电 流 指 示 器 应 用 而 言, 这 可 能 可 以 接 受 ; 但 随 着 电 流 增 大 及 串 联 的 LED 数 量 增 加, 就 变 得 有 问 题 了 要 克 服 这 个 问 题, 需 要 费 钱 又 费 时 地 对 LED 进 行 编 码 及 选 择 恰 当 的 电 阻 来 匹 配 LED 串 正 向 电 压 即 使 采 取 这 些 步 骤, 仍 然 会 有 由 输 入 电 压 变 化 导 致 的 亮 度 变 化 问 题 CCR 是 一 种 比 电 阻 方 案 性 能 更 高 但 成 本 又 低 于 线 性 驱 动 器 或 开 关 驱 动 器 的 方 案, 适 合 于 电 流 小 于 200mA 的 低 电 流 LED 照 明 应 用 CCR 易 于 设 计, 能 够 提 供 有 效 的 稳 流 及 更 多 的 特 性 CCR 的 主 要 局 限 是 输 入 电 压 必 须 始 终 高 于 输 出 正 向 电 压 以 恰 当 工 作, 而 且 它 们 能 效 较 低, 热 耗 散 较 高 线 性 驱 动 器 支 持 多 条 线 路 并 行 配 置 以 扩 散 热 耗 散, 提 供 达 ±2% 的 稳 流 精 度, 无 电 磁 干 扰 (EMI) 问 题, 成 本 中 等, 但 能 效 也 较 低 凭 借 高 能 效 及 灵 活 等 优 势, 开 关 驱 动 器 广 泛 使 用 这 种 方 案 成 本 更 高, 技 术 更 复 杂, 但 也 提 供 显 著 优 势, 如 支 持 任 何 类 型 的 输 入 电 压 与 输 出 电 压 关 系, 且 根 据 输 入 / 输 出 条 件, 能 效 能 够 高 于 90% 与 线 性 驱 动 器 不 同, 它 们 对 EMI 很 敏 感, 给 设 计 人 员 带 来 需 要 注 意 的 设 计 约 束 对 于 中 到 大 功 率 应 用 或 涉 及 宽 输 入 电 压 范 围 的 应 用 而 言, 开 关 稳 压 器 是 唯 一 可 行 的 选 择 ; 且 许 多 应 用 中 优 化 了 开 关 稳 压 器 型 LED 驱 动 器, 从 而 应 用 LED 调 光 控 制 LED 开 关 驱 动 器 拓 扑 结 构 根 据 输 入 电 压 与 输 出 电 压 之 间 的 关 系, 我 们 可 将 LED DC/DC 开 关 驱 动 器 / 稳 压 器 的 拓 扑 结 构 分 为 降 压 升 压 及 降 压 - 升 压 等 不 同 类 型, 并 相 应 作 简 要 分 析 降 压 : 适 合 于 所 有 工 作 条 件 下 最 小 47

23 照 明 及 光 电 特 刊 输 入 电 压 始 终 高 于 LED 串 最 大 电 压 的 应 用 ( 见 图 1a) 例 如, 以 12V 电 源 驱 动 单 颗 功 率 为 1W 的 LED 时, 使 用 这 种 拓 扑 结 构 这 种 拓 扑 结 构 的 原 理 是 : 开 关 导 通 时, 输 入 电 压 通 过 电 感 向 负 载 供 电, 同 时 也 向 输 出 电 容 充 电 这 个 过 程 中, 电 感 及 输 出 电 容 储 存 能 量 开 关 关 断 时, 储 存 在 电 感 中 的 电 流 不 能 突 变, 电 感 通 过 自 感 产 生 右 正 左 负 的 脉 冲 电 压, 这 时 电 感 输 出 电 容 及 续 流 二 极 管 构 成 放 电 回 路, 回 路 电 流 继 续 在 电 容 两 端 建 立 直 流 电 压, 并 由 此 直 流 电 压 为 负 载 供 电 从 能 量 关 系 可 以 看 出, 这 种 情 况 下 输 出 电 压 始 终 低 于 输 入 电 压, 提 供 降 压 效 果 图 1 典 型 DC/DC LED 开 关 驱 动 器 拓 扑 结 构 升 压 : 适 合 于 所 有 工 作 条 件 下 最 大 输 入 电 压 始 终 低 于 LED 串 最 小 电 压 时 的 应 用 例 如, 以 5V 电 源 驱 动 6 颗 LED 时, 使 用 这 种 拓 扑 结 构 ( 见 图 1b) 这 种 拓 扑 结 构 的 原 理 是 : 闭 合 导 通 时, 通 过 电 感 的 电 流 增 加, 在 电 感 中 积 累 能 量 ; 开 关 关 断 时, 电 感 电 流 通 过 二 极 管 流 向 输 出 电 容 由 于 储 存 来 自 电 感 的 电 流, 多 个 开 关 周 期 后, 输 出 电 容 的 电 压 升 高, 结 果 输 出 电 压 就 高 于 输 入 电 压, 从 而 提 供 升 压 效 果 降 压 - 升 压, 或 单 端 初 级 电 感 转 换 器 (SEPIC): 适 合 于 输 入 电 压 与 输 出 电 压 有 交 迭 的 应 用 如 以 12V 汽 车 电 池 驱 动 4 颗 LED 时, 可 使 用 这 种 拓 扑 结 构 ( 见 图 1c) 这 种 拓 扑 结 构 的 原 理 非 常 简 单 开 关 处 于 导 通 状 态 时, 输 入 电 压 直 接 连 接 至 电 感, 从 而 在 电 感 中 积 聚 能 量 在 这 个 阶 段, 电 容 C 为 输 出 负 载 提 供 能 量 开 关 处 于 关 闭 状 态 时, 电 感 通 过 续 流 二 极 管 连 接 至 输 出 负 载 及 电 容, 从 而 传 输 能 量 给 负 载 这 是 一 种 反 向 (inverting) 输 出, 负 输 出 连 接 至 LED 的 阳 极, 而 正 输 出 连 接 至 LED 的 阴 极 这 种 拓 扑 结 构 可 以 提 供 众 多 优 势, 如 提 供 更 高 能 效 更 小 外 形 因 数 及 更 低 成 本 等 不 同 拓 扑 结 构 的 LED DC/DC 开 关 驱 动 器 方 案 及 其 应 用 1 降 压 驱 动 器 方 案 典 型 LED DC/DC 降 压 应 用 有 如 在 线 槽 灯 书 架 灯 及 展 示 柜 灯 等 中 使 用 的 高 亮 度 模 块 化 灯 条, 一 般 每 条 ( 英 寸 )4 颗 LED, 根 据 颜 色 的 不 同, 光 效 为 23~47lm/W, 电 压 为 23~25V 根 据 频 率 及 电 流 的 不 同, 这 类 应 用 中 可 以 使 用 安 森 美 半 导 体 提 供 不 同 的 LED DC-DC 降 压 驱 动 器 方 案, 包 括 NCL30100 控 制 器 CAT4201 稳 压 器, 以 及 能 够 配 置 为 降 压 稳 压 器 的 NCP3065/NCV3065 NCP3066/ NCV3066 稳 压 器 及 控 制 器 等 ( 见 图 2) 这 些 方 案 各 有 其 特 点 图 2 不 同 LED DC-DC 降 压 驱 动 器 方 案 在 LED DC/DC 降 压 应 用 中, 客 户 可 以 根 据 应 用 需 要, 选 择 控 制 器 方 案 或 是 稳 压 器 方 案 例 如, 在 MR16 灯 泡 12V 景 观 照 明 太 阳 能 供 电 LED 照 明 线 性 照 明 及 广 告 牌 文 字 电 路 和 标 志 背 光 等 应 用 中, 可 以 采 用 NCL30100 控 制 器 这 器 件 本 身 并 未 集 成 FET, 但 它 支 持 使 用 高 性 价 比 的 N 沟 道 MOSFET 作 为 外 部 元 件, 能 够 调 节 电 流, 并 以 100% 的 占 空 比 工 作 但 这 器 件 电 源 电 压 (V CC ) 能 达 18V, 需 要 外 部 器 件 以 支 持 较 高 电 压, 且 需 要 用 于 确 定 数 量 的 LED 设 计 图 3 NCL30100 LED 降 压 控 制 器 基 本 应 用 电 路 图 而 在 12V 及 24V 照 明 系 统 汽 车 及 飞 机 照 明 和 通 用 照 明 等 应 用 中, 可 以 采 用 CAT4201 稳 压 器 这 器 件 与 NCL30100 控 制 器 不 同, 是 集 成 了 MOSFET 的 完 整 电 源 转 换 器, 采 用 小 型 TSOT5 封 装, 最 高 电 压 36Vdc( 可 承 48

24 照 明 及 光 电 特 刊 受 40V 瞬 态 电 压 ), 能 驱 动 总 电 压 达 32V 的 7 颗 串 联 LED, 电 源 能 效 高 达 94%, 提 供 限 流 及 热 保 护 但 这 器 件 在 大 多 数 应 用 中 要 求 输 出 电 容, 且 LED 输 出 电 流 限 流 为 最 大 350mA 图 4 CAT4201 LED 降 压 驱 动 器 典 型 应 用 电 路 图 有 些 LED 应 用 可 能 需 要 支 持 PWM 调 光 在 这 些 应 用 中, 可 以 采 用 NCP3065 和 NCP3066, 以 及 相 应 通 过 汽 车 认 证 的 版 本 NCV3065 和 NCV3066 NCP3065/6 NCV3065/6 是 灵 活 的 开 关 稳 压 器, 能 够 配 置 为 降 压 升 压 及 降 压 - 升 压 等 不 同 结 构 配 置 为 LED 降 压 驱 动 器 时, 能 在 不 采 用 输 出 大 电 容 的 条 件 下 工 作, 支 持 +40V/1.5A 典 型 峰 值 开 关 电 流, 可 以 设 定 350mA 700mA 及 1 000mA 等 输 出 电 流, 还 能 配 合 调 光 需 求 适 合 的 应 用 包 括 汽 车 及 船 舶 照 明 大 功 率 LED 驱 动 器 恒 流 源 低 压 LED 照 明 ( 景 观 道 路 太 阳 能 及 MR16 替 代 ) 等 2 升 压 驱 动 器 方 案 如 上 所 述,NCP3065/6 NCV3065/6 能 够 配 置 为 不 同 结 构, 图 5 右 显 示 的 是 即 是 配 置 为 升 压 结 构 的 应 用 电 路 图 此 外, 在 需 要 高 能 效 驱 动 长 串 高 亮 度 LED 的 应 用 中, 可 以 采 用 安 森 美 半 导 体 将 推 出 专 门 用 于 高 能 效 升 压 模 式 的 NCL30131 LED 升 压 驱 动 器 这 是 一 款 能 够 采 用 N 沟 道 FET 的 开 关 升 压 控 制 器, 能 够 用 于 构 建 高 能 效 的 LED 升 压 驱 动 器 这 器 件 使 用 电 压 模 式 PWM 反 馈 机 制, 带 有 运 算 跨 导 放 大 器 (OTA) 这 器 件 具 有 高 驱 动 能 力, 能 够 驱 动 大 电 流 / 高 能 效 MOSFET 输 入 电 压 范 围 极 宽, 介 于 4.5~28V 之 间 NCL30131 提 供 300/600/1000kHz 开 关 频 率, 提 供 可 编 程 限 流 短 路 保 护 热 关 闭 过 压 保 护 及 欠 压 锁 定 等 丰 富 的 保 护 功 能 图 6 NCL30131 高 能 效 升 压 LED 驱 动 器 典 型 电 路 图 3 升 降 压 驱 动 器 方 案 典 型 LED 降 压 - 升 压 应 用 包 括 以 12V 交 流 或 12V 直 流 电 源 驱 动 包 含 3~4 颗 LED 的 模 块 这 种 应 用 中 就 可 以 采 用 配 置 为 降 压 - 升 压 拓 扑 结 构 的 NCP3065/6 控 制 器, 从 而 满 足 输 入 电 压 与 输 出 电 压 图 5 NCP3065 典 型 LED 降 压 应 用 电 路 ( 左 ) 及 典 型 LED 升 压 应 用 电 路 ( 右 ) 有 交 迭 的 应 用 需 求 东 方 集 成 科 技 租 赁 服 务 生 物 医 药 高 新 技 术 企 业 近 日 由 中 国 医 药 生 物 技 术 协 会 主 办 的 第 四 届 蛋 白 质 和 多 肽 大 会 暨 生 命 科 学 仪 器 展 览 会 在 北 京 国 家 会 议 中 心 举 行 ; 同 期 举 行 的 还 有 第 三 届 抗 体 大 会 第 三 届 疫 苗 大 会 和 第 三 届 生 物 大 会 东 方 集 成 参 与 了 此 次 盛 会, 并 在 会 上 向 与 会 者 介 绍 了 方 便 灵 活 的 科 学 与 实 验 室 测 试 仪 器 设 备 之 随 需 而 租 解 决 方 案, 以 及 高 新 技 术 企 业 投 融 资 以 及 相 关 资 产 管 理 模 式 创 新 服 务 模 式 东 方 集 成 以 大 量 成 功 的 实 际 案 例, 具 体 分 析 与 讲 解 了 针 对 医 药 食 品 化 工 等 行 业, 特 别 是 热 点 :CRO 生 物 制 药 生 命 科 学 类 企 业 量 身 定 制 的 项 目 制 以 及 中 长 期 科 技 租 赁 方 案, 以 满 足 不 同 企 业 的 研 发 项 目 多 生 产 周 期 紧 的 需 求, 并 协 助 高 速 增 长 企 业 解 决 融 资 问 题 会 后 不 久, 东 方 集 成 即 与 深 圳 市 生 医 联 盟 生 物 科 技 有 限 公 司 ( 生 医 联 盟 ) 签 订 了 战 略 合 作 协 议 东 方 集 成 将 以 战 略 合 作 伙 伴 的 身 份 全 力 配 合 生 医 联 盟 承 担 的 生 物 医 药 仪 器 设 备 共 用 平 台 项 目, 双 方 也 将 根 据 协 议 处 理 生 物 医 药 仪 器 设 备 共 用 平 台 的 战 略 合 作 业 务 此 举 表 明 东 方 集 成 在 生 化 仪 器 领 域 的 业 务 获 得 了 重 大 进 展 49

25 专 题 特 写 : 节 能 继 无 铅 专 题 之 后, 今 日 电 子 杂 志 推 出 有 关 节 能 的 系 列 文 章, 重 点 讨 论 如 何 利 用 半 导 体 技 术 提 高 能 源, 开 发 和 利 用 新 能 源 欢 迎 业 界 厂 商 和 节 能 方 面 的 专 家 投 稿 电 子 技 术 推 动 绿 色 经 济 Molex 公 司 Vic Zaderej 对 环 保 人 士 来 说, 绿 色 化 已 不 再 只 是 一 句 口 号 了 随 着 社 会 各 阶 层 ( 包 括 政 府 官 员 和 企 业 管 理 人 员 ) 开 始 认 识 到 以 节 约 和 保 护 地 球 有 限 资 源 的 方 式 来 生 活 和 工 作 的 重 要 意 义, 绿 色 化 已 成 为 越 来 越 多 人 的 共 同 呼 声 具 前 瞻 思 维 的 公 司 也 可 以 通 过 开 发 创 新 性 新 产 品 或 改 进 现 有 产 品 所 带 来 的 新 营 收 流, 以 支 持 快 速 增 长 的 绿 色 经 济 电 子 产 品 制 造 商 由 于 拥 有 丰 富 的 专 业 知 识 和 相 关 经 验, 能 够 开 发 出 以 最 有 效 方 式 产 生 最 大 能 源 的 产 品, 所 以 他 们 应 该 站 在 这 股 浪 潮 的 峰 尖 浪 口 超 高 效 照 明 系 统 和 太 阳 能 系 统 事 实 上, 电 子 产 品 制 造 商 已 经 以 两 种 方 式 在 证 明 他 们 能 够 发 挥 重 要 的 作 用, 帮 助 全 球 向 绿 色 生 活 方 式 过 渡 : 开 发 固 态 LED 照 明 系 统 提 供 能 支 持 高 效 可 靠 的 太 阳 能 发 电 的 设 备 LED 照 明 系 统 的 效 率 是 紧 凑 型 荧 光 灯 照 明 系 统 的 两 倍, 但 不 少 公 用 事 业 公 司 至 今 仍 然 鼓 励 追 求 更 加 环 保 的 家 庭 照 明 的 消 费 者, 以 荧 光 灯 作 为 传 统 白 炽 灯 的 首 选 替 代 品 图 1 比 较 了 同 一 个 餐 厅 分 别 采 用 LED 照 明 和 紧 凑 型 荧 光 灯 照 明 的 能 耗 情 况, 相 比 后 者, 前 者 可 节 能 60% 在 英 美 等 工 业 化 国 家 的 楼 宇 二 氧 化 碳 排 放 量 中, 有 20% 40% 与 室 内 照 明 有 关, 想 象 在 这 种 情 况 下,LED 照 明 和 紧 凑 型 荧 光 灯 照 明 的 效 率 差 异 就 显 得 意 义 重 大 了 图 1 CFL 和 LED 照 明 的 能 耗 比 较 据 多 项 最 新 的 研 究 表 明, 若 完 全 转 换 为 LED 灯, 仅 20 年 后, 与 照 明 相 关 的 二 氧 化 碳 排 放 量 就 可 降 低 50% 之 多 而 且, 由 于 LED 不 含 汞 及 任 何 其 他 有 毒 的 物 质, 故 不 会 产 生 其 他 照 明 系 统 伴 随 的 有 害 废 物 不 过, 至 今 仍 存 在 几 个 因 素 阻 碍 LED 照 明 在 商 业 及 住 宅 楼 宇 中 的 广 泛 使 用 目 前, 电 子 产 品 制 造 商 正 在 竞 相 推 出 自 己 的 专 用 技 术 来 解 决 这 些 问 题 成 本 是 LED 无 法 在 消 费 领 域 广 泛 使 用 的 主 要 障 碍 例 如, 用 于 住 宅 车 道 照 明 的 LED 聚 光 灯 的 成 本 可 能 高 达 100 美 元, 相 比 之 下, 传 统 的 灯 泡 只 需 区 区 7 美 元 所 以 即 使 LED 的 能 耗 比 传 统 灯 泡 要 少 得 多, 使 用 寿 命 要 长 得 多, 但 这 种 高 昂 的 初 始 成 本 仍 是 吓 跑 大 批 消 费 者 的 主 要 原 因 大 多 数 LED 灯 也 是 以 硬 连 线 固 定 到 灯 具 上 这 意 味 着 更 换 一 个 坏 掉 的 LED 就 需 要 更 换 并 丢 弃 整 个 灯 具, 而 灯 具 的 最 终 下 场 很 可 能 是 被 抛 到 垃 圾 堆 中, 这 种 情 况 既 不 具 成 本 效 益, 对 环 境 也 不 利 易 于 更 换 的 LED 一 些 电 子 产 品 制 造 商 通 过 创 建 可 更 换 的 LED 照 明 模 块 解 决 了 这 些 问 题 这 些 模 块 整 合 了 创 新 的 固 态 照 明 技 术 与 独 特 并 且 易 于 使 用 的 互 连 技 术, 来 模 拟 传 统 的 灯 泡 和 插 座 照 明 系 统, 形 成 了 一 个 带 电 源 和 插 座 设 计 的 LED 系 统 这 种 设 计, 正 日 益 被 越 来 越 多 的 照 明 设 备 制 造 商 所 采 用, 通 过 它 创 建 的 LED 照 明 系 统, 很 容 易 适 用 于 广 大 范 围 的 商 业 和 住 宅 设 置 这 些 易 于 更 换 的 系 统, 售 价 可 能 还 不 到 20 美 元, 并 且 采 用 完 全 可 循 环 再 用 的 组 件 制 成, 是 非 常 适 合 于 大 众 市 场 采 用 的 第 一 代 LED 照 明 解 决 方 案 此 外 值 得 注 意 的 是, 现 在 很 多 电 力 公 司 都 纷 纷 开 始 研 究 使 用 直 流 电 系 统 取 代 目 前 流 行 的 交 流 电 系 统 来 为 家 庭 与 企 50