设计高效率家用电器之完整解决方案

TinyDIP SPMR模块系列的引脚配置及内部区块图 (底部)

随着电价的不断攀升，消费者对节能型家用电器的需求也随之增长。而除了环保节能的要求之外，消费者在购买洗衣机、洗碗机，或者高科技产品如LCD TV等重要的家用电器产品时，对于产品的使用寿命、可靠度及性能的条件也同样重视。
为了达到高效率的要求，产品设计人员必须谨慎考虑采用的设计元件，才能达到满足节能要求、同时提升产品性能的目标。快捷半导体在消费性家用电器产品方面积极提供符合消费需求和环保要求的设计解决方案，由于其解决方案完整且涵盖的产品面广泛，包括如洗衣机等传统的白色家电(white good)、以及如LCD TV等高科技的黑色家电(black good)，都有满足高效率产品设计的元件。

高效率变频马达设计

由于马达在白色家电产品中，常会有频繁启动？停止的情况，而马达启动时有一定的能量损失，因此马达驱动与节能技术在白色家电运用相对要求更高。所以在洗衣机或烘乾机等需要变频驱动马达的白色家电产品中，永磁同步马达(PMSM)或高效感应式马达正逐渐取代传统马达；尤其是，长期以来马达驱动控制设计人员一直以来都依赖的离散式元件(Gate driver and IGBT/MOSFET)的解决方案来设计，但目前也有渐渐被高整合度的解决方案所取代的趋势，例如快捷半导体应用于马达的智能功率模块(Smart Power Module, SPM)。

目前新技术的智能功率模块由于拥有高整合度的设计优势，因此其运用日益广泛。这里以新推出的智能功率模块「μMini DIP SPM」为例子做一个说明。该元件整合了三个半桥电路，其中还涵盖了自举二极管、NTC、精细调节栅极驱动器和众多附加保护功能，如欠压锁定、短路保护及故障输出，因而保证了高可靠度。

而为了降低模块功耗，并使栅极驱动器的待机电流减少，从而达成节能驱动，与传统分立式解决方案相比，其IGBT和驱动器的匹配可确保更高性能，功能变化的可控制度大为提高。此外该模块的保护功能元件靠近功率开关使得保护启动与侦测更加迅速与精准。而且采用低热组封装，可减少负载周期的温度变化，使它具有-40oC到+150oC的宽结温操作范围，因此该模块同时适用于家用电器及工业应用。

另外一个例子是适用于低功耗应用的智能功率模块「TinyDIP SPM」。设计使用于低功率的马达驱动例如空调内外机风扇与直流无刷吊扇等产品，在此类型SPM器件中以MOSFET取代IGBT所构成三个半桥电路的高整合度，其中还整合了自举二极管、精细调节栅极驱动器和欠压锁定保护功能(见图一)。特别针对于较小输出电流的应用，由于没有膝点电压和电流拖尾(current tail)，使用MOSFET的损耗比IGBT要低。

同时MOSFET的短路耐受时间比同额定的IGBT高一级距，因此成为低功耗电器的最佳解决方案，TinyDIP SPM模块就是这类SPM器件的最佳范例，其整合式的MOSFET解决方案非常适合于泵和风扇等低功耗应用，因为这种完全隔离的模块可以非常靠近马达放置。而该模块尺寸只有29mm x 12mm，带散热器情况下的最大可输出功率高达200W，这是相同尺寸、基于IGBT的解决方案做不到的。此外还可采用SMD封装以简化该模块的装配过程。在很多情况下，采用无散热器SMD SPM封装成为首选的方案。

提升LCD屏幕电源效率的控制器

在高科技的黑色家电部分，LCD TV的市场随着传统的CRT电视逐渐式微而开始大幅成长。除了屏幕尺寸、分辨率受到消费者关注，LCD TV是否具备高效率及省电的优势，也成为制造商在设计和生产时要达到的目标。

快捷半导体推出的FAN6755元件是针对LCD屏幕的交换式电源供应器(SMPS)开发的脉宽调变(PMW)控制器。它不但有多个强化返驰式转换器的功能，而且在降低待机功率方面配置专有的自应式节能模式，在负载较轻的情况下，内部专有的节能模式会启动以减少切换频率、降低功率损失。

对PWM控制器而言，功耗损失和切换频率成正比关系，也就是说，交换式电源供应器的切换次数愈少，功率消耗就愈低。FAN6755提供切换断开时间调变的节能模式，可持续地降低轻负载时的切换频率。设计人员通过对临界电压的设定来启动节能模式。于负载较轻时，自然启动的节能模式使电源供应器的输出电压提高，反馈电压因此下降而使切换频率减少。当反馈回路电压低于临界电压以下，切换频率就会持续降低到节能模式的最低值23KHz(见图二、fOSC-G=23KHZ)。

由于将许多功能整合在一起，FAN6755元件也协助降低材料清单的成本。除了专有的节能模式，另外还提供许多保护功能，如欠压及过压保护功能。而其跳频架构以预先设定的时间间隔变换频率，让电磁干扰在任何给定的切换频率下都可以保持低于正常标准值。

此外FAN6755在待机和关机模式的节能表现都比节能之星的要求更好，举例来说，在输入的交流电压为264Vac、并且需在待机模式下供应30mW给LCD控制电子元件的条件下，采用FAN6755的电源供应器能使整个待机功率低于90mW。

结论

在全球都积极节能的趋势下，主要的国际电源保护规范如能源之星，要求众多电子产品之电源供应器需符合环保规范要求；而欧盟EcoDesign规范也促进耗能电器的高效率驱动技术的发展。对消费性产品的设计人员而言，未来谨慎采用高整合度的解决方案以提高产品效率、达到节能目标、为消费者省下大笔记本电脑费，将是不可避免的趋势。

快捷半导体对这股未来趋势积极做出回应，提供消费性产品设计人员完整的节能型家电产品设计解决方案。在白色家电部分提供变频驱动的马达技术，以SPM器件控制的永磁同步马达实现洗衣机等传统家电的节能目标；而在黑色家电部分，推出高整合度的PWM控制器，协助提升LCD TV电源效率以满足节能法规。这些解决方案能够帮助设计人员开发出具有高成本效益、并可达到高效率的节能型家电产品。