探究新型能源的开发与利用

无庸置疑地，能源驱动了当今科技文明的发展，我们需要能源来运转所有的机器。如果缺乏能源或是缺乏将能源转化为电力的适当技术，我们的科技世界将无法运作。1908年，William A. Smith曾指出：“工程本身就是节约大自然能源的经济科学，包括动能和位能，以提供给人类使用，而工程的目的就是运用能源，并发挥最大的效益，并将浪费的程度减至最低。”

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。

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。