绿色半导体技术的最新发展趋势

绿色电源技术是业界探讨极为广泛的话题。一直以来，很少有电子设计领域会轻率对待功率消耗问题。事实上，大多数设计人员竭力将功耗降至最低，使其产品优化。然而，随着"绿色电源"概念伴随"智能电网"一起涌现，我们发现此概念涵盖的范畴已经不仅是功耗。实际上它是设计社群与最终用户的一种观念变更。就最基本的层面而言，"绿色"表示高能效。因此，在这越来越以电池操作装置主导且"电网"电能供应有限的现今世界，消费者都变得共同关注他们的用电量(见图1中的房屋横截面图)。与此同时，设计人员迫切需要提升电池使用时间、功能组合、速度、精确度、通信及用户可执行信息(actionable information)等所有方面的表现。可惜，如今很少有产品为用户在某种特定装置或产品正实际消耗的功率方面提供较多的智能型反馈或详细信息。此种演变为设计人员带来了更大的挑战。用户期望的功能日益增多，但同时必须降低功耗及成本。因此，关键问题已经变为"当设计公式中常常有相互冲突的变项时，设计人员能如何提供领先的性能？"

具体而言，您如何在增添如通信等传统的功率密集型功能的同时降低总功耗？又或是，您如何能不消耗功率却又精确地计量功率及整合信息？唯一现实的答案就是必须细究设计的每个方面。目前主要是在照明/背光(lighting)、微处理器及显示面板等领域取得进展。然而，计量(metrology)及通信领域有许多元件可供选择，但提供超低功耗(某些案例下电流消耗低于1 mA)的极少。许多先进产品都有运动(moving)元件，故电机驱动器能效的影响迅速成为可以大幅改善的领域。通信、计量及机电系统为系统工程师提供了极佳机会，让他们能够坚实地改善功能、功耗及总体系统智能。

通信基础设施位于"绿色能源"的核心位置。电力使用者及电力提供者手中要获得详细及可执行的信息，家庭局域网(HAN)和邻里局域网(NAN)中完全连接的生态系统必不可少。在许多地方，电力线通信(PLC)方案已经成为网络节点之间高可靠性通信的首选方案。AMIS-49587 PLC调制解调器(modem)业已成为适中数据率PLC通信的标准，而安森美半导体则持续在此领域开发更多产品。下一代PLC收发器的波特率(Baud Rate)大幅提升，同时功耗维持在现有方案的水平。

在"绿色能源"领域，无线方案正变得更加常见。令人意外的是，射频(RF)收发器的最主要功耗源是在接收部份，需要采用数字信号处理技术来管理此特殊协议堆栈(protocol stack)。某些系统架构要求配合多种协议堆栈，还可能要配合复杂的加密算法。"无线"(over the air)更新使RF收发器面临的要求进一步复杂化。像安森美半导体这样的公司正在开发下一代的无线电方案，旨在同时应对物理层和协议堆栈的功耗问题，从而推进各自技术及适配能力(adoption)。某些无线通信标准正在演进之中，将会减轻信号处理链上的负荷，同时维持集成的灵活性及带宽。最后，系统设计人员有责任在平衡协议复杂度、工作周期(休眠、"监听"(sniff)、发射、接收等)方面的优化。

我们还注意到，受更先进半导体技术及接收信号链某些架构级改善的推动，接收模式的电流消耗已经逐代稳步下降。大多数"智能电网"或"绿色电源"方案在其特殊网络内部并无太多量的数据移动，但也有一些较低载波频率的数据移动。这就提供附带优势，因为方案的频率较低，不仅降低功耗，而且改善信号传播。专用无线电的出现就不可避免了，因为功率要求迫使设计人员放弃一般用途无线电，以此避免过多可编程性及寄生闲置(inactive)电路带来的功率负荷。

功率计量设计领域的技术一直由传统交流电表推动。这些传统案面往往是内嵌微控制器的较大系统级芯片(SoC)元件。此类方案有一项关键不足：微控制器。乍听起来，这可能有违直觉，但每个微控制器(若适用的话，则是每个内核)在某个时刻仅时执行一个指令。某些指令要求的系统频率周期不止一个，引入随机单元(random element)来执行代码。例如，可以尝试在您的计算机上以优于1 ms的分辨率执行某种软件功能，您可能会惊讶地发现，即使是使用频率达数千兆赫兹(multi-GHz)的处理器，实际上也不可能在没有某种精密定时的硬件介入(hardware intervention)的情况下维持一种周期性事件。

此问题的副产物就是相同频率时不可避免的错误。以SoC为基础的计量元件使用极富创新且常常是专有的方案来解决此问题。"绿色电源"计量的自然演进将是在精确度(accuracy)、物料单(BOM)复杂度及功耗等方面作出恰当平衡的优化计量元件。采用专用全同步处理及最佳采样精确度，可以最佳地实现这种演进。这确保后