新能源應(yīng)用拉升半導(dǎo)體需求

新能源的稱(chēng)謂是件很有意思的事情，很多新能源其能量來(lái)源是再平常不過(guò)的，“新”只是指利用的方式是新的，比如除傳統(tǒng)能源之外的太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力、生物能、地?zé)崮?、海洋能等。走過(guò)2009年，我們看到，新能源產(chǎn)業(yè)在金融風(fēng)暴的侵襲下仍保持了高增長(zhǎng)率；而走入2010年，從政府到廠商再到公眾，整個(gè)社會(huì)對(duì)新能源的熱情似乎更高漲，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也深深關(guān)注新能源發(fā)展帶來(lái)的新契機(jī)。

太陽(yáng)暖熱新能源市場(chǎng)

***胡錦濤去年9月在聯(lián)合國(guó)氣候變化峰會(huì)上曾表示，爭(zhēng)取到2020年使中國(guó)“非化石能源”占一次能源消費(fèi)比重達(dá)15%左右。據(jù)稱(chēng)在《新能源產(chǎn)業(yè)振興發(fā)展規(guī)劃(草案)》中指出：“到2020年，新能源發(fā)電占電力總裝機(jī)容量的比重達(dá)15%，其中太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模在2011年、2020年分別達(dá)200萬(wàn)千瓦和2,000萬(wàn)千瓦。值得注意的是，太陽(yáng)能發(fā)電2020年裝機(jī)目標(biāo)比國(guó)家之前提出的規(guī)劃目標(biāo)提高了9倍?！笔袌?chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)拓墣預(yù)估2010年中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)需求將達(dá)6.2億美元，高達(dá)138.5%的年成長(zhǎng)率亦可看出其發(fā)展?jié)摿Α?

廣闊的市場(chǎng)推動(dòng)廠商拼命降低太陽(yáng)能發(fā)電的成本，其中最簡(jiǎn)單的方法就是提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。但目前太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換效率能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)的大部分還不超過(guò)20％，雖然有著很大的提升空間，但受限于基礎(chǔ)材料的限制其提升進(jìn)展非常緩慢。審視交流發(fā)電應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)：太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能充電控制器、蓄電池和逆變器，我們發(fā)現(xiàn)留給半導(dǎo)體廠商的機(jī)會(huì)集中在充電和逆變環(huán)節(jié)。

1. 太陽(yáng)能充電器：成本降低，進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)

太陽(yáng)能充電器已經(jīng)現(xiàn)身消費(fèi)市場(chǎng)?；仡?009年出現(xiàn)的一些產(chǎn)品，包括Novothink公司售價(jià)70美元、獲得蘋(píng)果授權(quán)的iPodtouch和iPhone太陽(yáng)能充電器“Surge”，內(nèi)置電池的容量是1500mAh，在充電2個(gè)小時(shí)候后，可在3G網(wǎng)絡(luò)下提供30分鐘的通話時(shí)間、在2G網(wǎng)絡(luò)下提供60分鐘的通話時(shí)間。其它的類(lèi)似產(chǎn)品還有很多，例如iCharge是一款小巧且便于攜帶的多功能的太陽(yáng)能充電器，可以通過(guò)3種方式蓄電；勁量太陽(yáng)能充電器的電池板可以翻轉(zhuǎn)折疊，提供有USB充電接口，包括2節(jié)AA充電電池在內(nèi)的充電器售價(jià)在50美元以?xún)?nèi)；一些國(guó)產(chǎn)的通過(guò)USB接口給手機(jī)、PSP游戲機(jī)充電的便攜太陽(yáng)能充電器集中在200元～500元不等。

太陽(yáng)能充電器能以低成本進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)，半導(dǎo)體公司功不可沒(méi)，面向太陽(yáng)能的充電IC在效率、可靠性、穩(wěn)定性等方面都有創(chuàng)新。凌力爾特公司(LTC)面向太陽(yáng)能電源的單片式降壓型電池充電器IC LT3652就運(yùn)用了一種創(chuàng)新的輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路，該環(huán)路負(fù)責(zé)控制充電電流，旨在將輸入電壓保持在一個(gè)編程的電平上。當(dāng)把LT3652連接至一塊太陽(yáng)能電池板時(shí)，輸入調(diào)節(jié)環(huán)路將把電池板保持在峰值輸出功率。LT3652可接受4.95V至32V的寬輸入范圍和具有40V絕對(duì)最大額定值以增加系統(tǒng)裕度。輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路還允許在采用不良穩(wěn)壓電源的情況下(此時(shí)，在過(guò)流條件下輸入有可能發(fā)生崩潰)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化充電。

基本型的充電控制器設(shè)計(jì)用于保護(hù)電池免受過(guò)充或欠充影響，并防止反向電流。脈寬調(diào)制(PWM)型控制器會(huì)控制對(duì)電池充電的電量，并可實(shí)現(xiàn)涓流充電，從而保護(hù)電池并延長(zhǎng)使用壽命。支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對(duì)太陽(yáng)能電池不斷變化的V/I特性曲線提供補(bǔ)償，優(yōu)化太陽(yáng)能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。安森美半導(dǎo)體針對(duì)太陽(yáng)能板電池充電控制應(yīng)用解決方案，核心采用CS51221增強(qiáng)型電壓模式PWM控制器，支持最大峰值功率追蹤，輸入電壓為12至24V，輸出電流為12V@2A，并提供可調(diào)節(jié)逐脈沖限流、輸入欠壓鎖定和輸出過(guò)壓鎖定等保護(hù)特性。該控制器提供輔助輸入端，用于遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控；能夠適應(yīng)功率高至90W的太陽(yáng)能板應(yīng)用。

2. 逆變器：技術(shù)/市場(chǎng)皆成熟

在太陽(yáng)能系統(tǒng)中，逆變器把直流電變成交流電，當(dāng)照明負(fù)載為直流時(shí)無(wú)需使用(如LED照明)，而照明負(fù)載為交流負(fù)載時(shí)必須使用?？紤]到太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換效率的低下，通過(guò)太陽(yáng)能電池板獲得的電力“來(lái)之不易”，這更凸顯了逆變器轉(zhuǎn)換效率的重要。在逆變器領(lǐng)域，成熟的技術(shù)使得眾多廠商的逆變器轉(zhuǎn)換效率均高達(dá)90％以上，包括TI、飛兆、安森美、英飛凌以及眾多本土電源廠商等。

此外，多數(shù)獨(dú)立型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備工作環(huán)境偏遠(yuǎn)且惡劣，這就要求逆變器能在惡劣的使用環(huán)境及較少的維護(hù)條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，因此很多逆變器也添加了電路短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、反接保護(hù)及雷電保護(hù)等功能。

太陽(yáng)能系統(tǒng)廣闊的應(yīng)用需要使用更多的逆變器，這為眾多從事電源IC和元器件廠商帶來(lái)巨大的機(jī)會(huì)。iSuppli公司預(yù)計(jì)，2012年全球用于太陽(yáng)能系統(tǒng)的逆變器出貨量將從2008年時(shí)的723,329個(gè)增長(zhǎng)到950萬(wàn)個(gè)，如圖1所示。

圖1：全球用于太陽(yáng)能應(yīng)用的逆變器出貨量預(yù)測(cè)。

太陽(yáng)曬亮LED照明

LED近幾年來(lái)已經(jīng)得到了非常廣闊的應(yīng)用，包括背光源、室內(nèi)外顯示屏及照明等，在LED驅(qū)動(dòng)IC的市場(chǎng)上，但凡涉及電源產(chǎn)品線的半導(dǎo)體廠商，基本都陸續(xù)不斷的推出從低功率到大功率的多種LED驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。

之前人們對(duì)半導(dǎo)體綠色照明的概念停留在LED照明，隨著LED發(fā)光效率的提升以及成本的下降，LED照明的普及率大幅提升?，F(xiàn)在，太陽(yáng)能電池新能源的普及，使得我們可以用半導(dǎo)體發(fā)電，半導(dǎo)體控制電路和半導(dǎo)體LED光源組成的一個(gè)真正綠色且智能的照明系統(tǒng)。

節(jié)能的LED，再加上潔凈能源的太陽(yáng)能更是組成了誘人的前景，而且技術(shù)的成熟也使得成本急劇下降，甚至網(wǎng)絡(luò)上銷(xiāo)售的迷你太陽(yáng)能LED手電筒才幾十塊錢(qián)。而且，更大范圍的，我們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能路燈越來(lái)越普及。

圖2：節(jié)能的LED和潔凈的太陽(yáng)能組成更環(huán)保的路燈照明系統(tǒng)。

太陽(yáng)能路燈普及的很大一部分原因是因?yàn)榘惭b簡(jiǎn)單，插在路邊就可以了，而不像采用交流電的路燈那樣需要鋪電纜、建造變壓房等。不過(guò)，不同于其它電源供電的LED(如交流電)，太陽(yáng)能板供電的LED有著特殊的要求，比如太陽(yáng)能LED路燈所用的蓄電池輸出電壓不穩(wěn)定，這就需要解決恒流驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，專(zhuān)門(mén)的解決方案包括上海龍茂微電子公司和龍鼎微電子公司合作完成的SLM2842模塊，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的離線式恒流控制驅(qū)動(dòng)器等。

天氣原因決定了太陽(yáng)能供電的不穩(wěn)定性，因此還有一種方案，那就是交流市電和太陽(yáng)能的混合供電方式，但這留給設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)是，如何在不穩(wěn)定的輸入下設(shè)計(jì)出高效率的可自動(dòng)調(diào)光的LED路燈解決方案？LED路燈一般需要超過(guò)25W功率，具體視需要照明的范圍和安裝的高度而定，Arrow開(kāi)發(fā)的基于交流市電輸入的LED路燈解決方案選擇了Cree的照明級(jí)XLamp MC-E LED、NXP的PFC控制器和反激控制器SSL1750、以及TI的DC/DC恒流控制器TPS40211，完美解決了這個(gè)問(wèn)題。其中，XLamp XR-E LED是一個(gè)照明級(jí)的多芯片模組，每瓦流明數(shù)可以達(dá)到107；NXP的SSL1750是一款適合用于驅(qū)動(dòng)25W到250W的LED照明應(yīng)用的開(kāi)關(guān)電源控制器IC；SSL1750集成了PFC控制器和反激控制器，使得AC/DC轉(zhuǎn)換的效率在90%以上；TPS40211是一個(gè)寬輸入(4.5V到52V)、非同步升壓控制器。

如圖2所示，控制器主要用來(lái)控制蓄電池充電和蓄電池向LED供電?？刂破髟诒ＷCLED恒流工作的同時(shí)，也會(huì)監(jiān)測(cè)LED的狀態(tài)以及控制工作時(shí)間長(zhǎng)短。連續(xù)陰雨天以及蓄電池電能不足的情況下，控制器會(huì)發(fā)出控制信號(hào)來(lái)啟動(dòng)外部的市電供電系統(tǒng)，保證LED的正常工作。整個(gè)控制器的控制是通過(guò)一個(gè)MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)，MCU的主要工作包括以下幾點(diǎn)：一是采用MPPT算法來(lái)優(yōu)化太陽(yáng)能電池板工作效率；二是針對(duì)蓄電池不同狀態(tài)采用合適的充電模式；三是保證LED驅(qū)動(dòng)電路的恒流輸出；四是判斷白天黑夜并以此來(lái)切換蓄電池充電和放電模式；最后就是提供監(jiān)控保護(hù)、溫度監(jiān)測(cè)、狀態(tài)輸出和用戶控制輸入檢測(cè)等功能。在多種MCU方案中，意法半導(dǎo)體更是推出完整的基于STM32 MCU的太陽(yáng)能LED街燈方案。

目前，大多數(shù)太陽(yáng)能逆變器只能從太陽(yáng)能電池板的某個(gè)最佳位置對(duì)電池板的整體效率進(jìn)行優(yōu)化。這種優(yōu)化方法嚴(yán)重制約了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的效率。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體SolarMagic技術(shù)將為太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)帶來(lái)革新。SolarMagic并不是單體IC，其外形為模塊形狀，尺寸為10×12cm左右。該技術(shù)能夠智能管理太陽(yáng)能光伏(PV)電池板電量，可監(jiān)察并優(yōu)化每塊電池板的發(fā)電量，讓它們能以最佳的功率點(diǎn)去運(yùn)行，并改善電池板中的電流流向。通過(guò)采用SolarMagic技術(shù)，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)可挽回50%以上因輸電失配或陰影遮蔽而損失的發(fā)電量。

前景展望

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，把手機(jī)、PC等變成了普遍的必需品。雖然目前來(lái)看新能源的利用成本有時(shí)候并不遜于傳統(tǒng)能源，例如與現(xiàn)有的電力成本相比，太陽(yáng)能/風(fēng)能的發(fā)電成本要高出數(shù)倍。但毋庸置疑，新能源已經(jīng)明顯上升到了國(guó)家戰(zhàn)略的高度，技術(shù)的進(jìn)步必然也會(huì)把新能源變成類(lèi)似手機(jī)和PC一樣普遍的必需品。

所有跡象表明新能源將是近代基于低碳經(jīng)濟(jì)的一場(chǎng)技術(shù)革命?？梢灶A(yù)見(jiàn)，2010年必將是圍繞新能源大做文章的一年，不僅僅是太陽(yáng)能/風(fēng)能發(fā)電、新能源汽車(chē)、新能源照明、還有更廣闊的應(yīng)用等待我們?nèi)ネ诰?。未?lái)新能源產(chǎn)業(yè)的價(jià)值鏈將圍繞新能源收集和新能源利用，更有效的收集和開(kāi)拓新能源的新應(yīng)用會(huì)為半導(dǎo)體廠商開(kāi)拓新的價(jià)值增長(zhǎng)點(diǎn)。

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