新能源應(yīng)用拉升半導(dǎo)體需求

新能源應(yīng)用拉升半導(dǎo)體需求

新能源的稱謂是件很有意思的事情，很多新能源其能量來源是再平常不過的，“新”只是指利用的方式是新的，比如除傳統(tǒng)能源之外的太陽能、風(fēng)能、水力、生物能、地?zé)崮?、海洋能等。走過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率；而走入2010年，從政府到廠商再到公眾，整個(gè)社會(huì)對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)展帶來的新契機(jī)。

太陽暖熱新能源市場

***胡錦濤去年9月在聯(lián)合國氣候變化峰會(huì)上曾表示，爭取到2020年使中國“非化石能源”占一次能源消費(fèi)比重達(dá)15%左右。據(jù)稱在《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%，其中太陽能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模在2011年、2020年分別達(dá)200萬千瓦和2,000萬千瓦。值得注意的是，太陽能發(fā)電2020年裝機(jī)目標(biāo)比國家之前提出的規(guī)劃目標(biāo)提高了9倍。”市場調(diào)研機(jī)構(gòu)拓墣預(yù)估2010年中國太陽能發(fā)電市場需求將達(dá)6.2億美元，高達(dá)138.5%的年成長率亦可看出其發(fā)展?jié)摿Α?

廣闊的市場推動(dòng)廠商拼命降低太陽能發(fā)電的成本，其中最簡單的方法就是提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。但目前太陽能光電轉(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)：太陽能電池板、太陽能充電控制器、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. 太陽能充電器：成本降低，進(jìn)入消費(fèi)市場

太陽能充電器已經(jīng)現(xiàn)身消費(fèi)市場?；仡?009年出現(xiàn)的一些產(chǎn)品，包括Novothink公司售價(jià)70美元、獲得蘋果授權(quán)的iPodtouch和iPhone太陽能充電器“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能充電器，可以通過3種方式蓄電；勁量太陽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美元以內(nèi)；一些國產(chǎn)的通過USB接口給手機(jī)、PSP游戲機(jī)充電的便攜太陽能充電器集中在200元～500元不等。

太陽能充電器能以低成本進(jìn)入消費(fèi)市場，半導(dǎo)體公司功不可沒，面向太陽能的充電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)電池并延長使用壽命。支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對太陽能電池不斷變化的V/I特性曲線提供補(bǔ)償，優(yōu)化太陽能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。安森美半導(dǎo)體針對太陽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的太陽能板應(yīng)用。

2. 逆變器：技術(shù)/市場皆成熟

在太陽能系統(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]到太陽能光電轉(zhuǎn)換效率的低下，通過太陽能電池板獲得的電力“來之不易”，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)、過流保護(hù)、反接保護(hù)及雷電保護(hù)等功能。

太陽能系統(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和元器件廠商帶來巨大的機(jī)會(huì)。iSuppli公司預(yù)計(jì)，2012年全球用于太陽能系統(tǒng)的逆變器出貨量將從2008年時(shí)的723,329個(gè)增長到950萬個(gè)，如圖1所示。

圖1：全球用于太陽能應(yīng)用的逆變器出貨量預(yù)測。

太陽曬亮LED照明

LED近幾年來已經(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)上銷售的迷你太陽能LED手電筒才幾十塊錢。而且，更大范圍的，我們發(fā)現(xiàn)太陽能路燈越來越普及。

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

太陽能路燈普及的很大一部分原因是因?yàn)榘惭b簡單，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，不同于其它電源供電的LED(如交流電)，太陽能板供電的LED有著特殊的要求，比如太陽能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)的問題，專門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，美國國家半導(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25W功率，具體視需要照明的范圍和安裝的高度而定，Arrow開發(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)問題。其中，XLamp XR-E LED是一個(gè)照明級的多芯片模組，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，控制器主要用來控制蓄電池充電和蓄電池向LED供電。控制器在保證LED恒流工作的同時(shí)，也會(huì)監(jiān)測LED的狀態(tài)以及控制工作時(shí)間長短。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)出控制信號來啟動(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一個(gè)MCU來實(shí)現(xiàn)，MCU的主要工作包括以下幾點(diǎn)：一是采用MPPT算法來優(yōu)化太陽能電池板工作效率；二是針對蓄電池不同狀態(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、狀態(tài)輸出和用戶控制輸入檢測等功能。在多種MCU方案中，意法半導(dǎo)體更是推出完整的基于STM32 MCU的太陽能LED街燈方案。

目前，大多數(shù)太陽能逆變器只能從太陽能電池板的某個(gè)最佳位置對電池板的整體效率進(jìn)行優(yōu)化。這種優(yōu)化方法嚴(yán)重制約了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率。美國國家半導(dǎo)體SolarMagic技術(shù)將為太陽能光伏系統(tǒng)帶來革新。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。通過采用SolarMagic技術(shù)，太陽能發(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)的一場技術(shù)革命。可以預(yù)見，2010年必將是圍繞新能源大做文章的一年，不僅僅是太陽能/風(fēng)能發(fā)電、新能源汽車、新能源照明、還有更廣闊的應(yīng)用等待我們?nèi)ネ诰?。未來新能源產(chǎn)業(yè)的價(jià)值鏈將圍繞新能源收集和新能源利用，更有效的收集和開拓新能源的新應(yīng)用會(huì)為半導(dǎo)體廠商開拓新的價(jià)值增長點(diǎn)。

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