新能源应用拉升半导体需求

新能源应用拉升半导体需求

新能源的称谓是件很有意思的事情，很多新能源其能量来源是再平常不过的，“新”只是指利用的方式是新的，比如除传统能源之外的太阳能、风能、水力、生物能、地热能、海洋能等。走过2009年，我们看到，新能源产业在金融风暴的侵袭下仍保持了高增长率；而走入2010年，从政府到厂商再到公众，整个社会对新能源的热情似乎更高涨，半导体产业也深深关注新能源发展带来的新契机。

太阳暖热新能源市场

***胡锦涛去年9月在联合国气候变化峰会上曾表示，争取到2020年使中国“非化石能源”占一次能源消费比重达15%左右。据称在《新能源产业振兴发展规划(草案)》中指出：“到2020年，新能源发电占电力总装机容量的比重达15%，其中太阳能发电装机规模在2011年、2020年分别达200万千瓦和2,000万千瓦。值得注意的是，太阳能发电2020年装机目标比国家之前提出的规划目标提高了9倍。”市场调研机构拓墣预估2010年中国太阳能发电市场需求将达6.2亿美元，高达138.5%的年成长率亦可看出其发展潜力。

广阔的市场推动厂商拼命降低太阳能发电的成本，其中最简单的方法就是提高太阳能电池的光电转换效率。但目前太阳能光电转换效率能实现商业化量产的大部分还不超过20％，虽然有着很大的提升空间，但受限于基础材料的限制其提升进展非常缓慢。审视交流发电应用的核心环节：太阳能电池板、太阳能充电控制器、蓄电池和逆变器，我们发现留给半导体厂商的机会集中在充电和逆变环节。

1. 太阳能充电器：成本降低，进入消费市场

太阳能充电器已经现身消费市场。回顾2009年出现的一些产品，包括Novothink公司售价70美元、获得苹果授权的iPodtouch和iPhone太阳能充电器“Surge”，内置电池的容量是1500mAh，在充电2个小时候后，可在3G网络下提供30分钟的通话时间、在2G网络下提供60分钟的通话时间。其它的类似产品还有很多，例如iCharge是一款小巧且便于携带的多功能的太阳能充电器，可以通过3种方式蓄电；劲量太阳能充电器的电池板可以翻转折叠，提供有USB充电接口，包括2节AA充电电池在内的充电器售价在50美元以内；一些国产的通过USB接口给手机、PSP游戏机充电的便携太阳能充电器集中在200元～500元不等。

太阳能充电器能以低成本进入消费市场，半导体公司功不可没，面向太阳能的充电IC在效率、可靠性、稳定性等方面都有创新。凌力尔特公司(LTC)面向太阳能电源的单片式降压型电池充电器IC LT3652就运用了一种创新的输入电压调节环路，该环路负责控制充电电流，旨在将输入电压保持在一个编程的电平上。当把LT3652连接至一块太阳能电池板时，输入调节环路将把电池板保持在峰值输出功率。LT3652可接受4.95V至32V的宽输入范围和具有40V绝对最大额定值以增加系统裕度。输入电压调节环路还允许在采用不良稳压电源的情况下(此时，在过流条件下输入有可能发生崩溃)实现优化充电。

基本型的充电控制器设计用于保护电池免受过充或欠充影响，并防止反向电流。脉宽调制(PWM)型控制器会控制对电池充电的电量，并可实现涓流充电，从而保护电池并延长使用寿命。支持最大峰值功率追踪(MPPT)功能的控制器能对太阳能电池不断变化的V/I特性曲线提供补偿，优化太阳能电池的功率输出，提高能效，并使蓄电池充电至优化电量。安森美半导体针对太阳能板电池充电控制应用解决方案，核心采用CS51221增强型电压模式PWM控制器，支持最大峰值功率追踪，输入电压为12至24V，输出电流为12V@2A，并提供可调节逐脉冲限流、输入欠压锁定和输出过压锁定等保护特性。该控制器提供辅助输入端，用于远程传输和监控；能够适应功率高至90W的太阳能板应用。

2. 逆变器：技术/市场皆成熟

在太阳能系统中，逆变器把直流电变成交流电，当照明负载为直流时无需使用(如LED照明)，而照明负载为交流负载时必须使用。考虑到太阳能光电转换效率的低下，通过太阳能电池板获得的电力“来之不易”，这更凸显了逆变器转换效率的重要。在逆变器领域，成熟的技术使得众多厂商的逆变器转换效率均高达90％以上，包括TI、飞兆、安森美、英飞凌以及众多本土电源厂商等。

此外，多数独立型太阳能发电设备工作环境偏远且恶劣，这就要求逆变器能在恶劣的使用环境及较少的维护条件下长期稳定工作，因此很多逆变器也添加了电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。

太阳能系统广阔的应用需要使用更多的逆变器，这为众多从事电源IC和元器件厂商带来巨大的机会。iSuppli公司预计，2012年全球用于太阳能系统的逆变器出货量将从2008年时的723,329个增长到950万个，如图1所示。

图1：全球用于太阳能应用的逆变器出货量预测。

太阳晒亮LED照明

LED近几年来已经得到了非常广阔的应用，包括背光源、室内外显示屏及照明等，在LED驱动IC的市场上，但凡涉及电源产品线的半导体厂商，基本都陆续不断的推出从低功率到大功率的多种LED驱动产品。

之前人们对半导体绿色照明的概念停留在LED照明，随着LED发光效率的提升以及成本的下降，LED照明的普及率大幅提升。现在，太阳能电池新能源的普及，使得我们可以用半导体发电，半导体控制电路和半导体LED光源组成的一个真正绿色且智能的照明系统。

节能的LED，再加上洁净能源的太阳能更是组成了诱人的前景，而且技术的成熟也使得成本急剧下降，甚至网络上销售的迷你太阳能LED手电筒才几十块钱。而且，更大范围的，我们发现太阳能路灯越来越普及。

图2：节能的LED和洁净的太阳能组成更环保的路灯照明系统。

太阳能路灯普及的很大一部分原因是因为安装简单，插在路边就可以了，而不像采用交流电的路灯那样需要铺电缆、建造变压房等。不过，不同于其它电源供电的LED(如交流电)，太阳能板供电的LED有着特殊的要求，比如太阳能LED路灯所用的蓄电池输出电压不稳定，这就需要解决恒流驱动的问题，专门的解决方案包括上海龙茂微电子公司和龙鼎微电子公司合作完成的SLM2842模块，美国国家半导体公司的离线式恒流控制驱动器等。

天气原因决定了太阳能供电的不稳定性，因此还有一种方案，那就是交流市电和太阳能的混合供电方式，但这留给设计师的挑战是，如何在不稳定的输入下设计出高效率的可自动调光的LED路灯解决方案？LED路灯一般需要超过25W功率，具体视需要照明的范围和安装的高度而定，Arrow开发的基于交流市电输入的LED路灯解决方案选择了Cree的照明级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，完美解决了这个问题。其中，XLamp XR-E LED是一个照明级的多芯片模组，每瓦流明数可以达到107；NXP的SSL1750是一款适合用于驱动25W到250W的LED照明应用的开关电源控制器IC；SSL1750集成了PFC控制器和反激控制器，使得AC/DC转换的效率在90%以上；TPS40211是一个宽输入(4.5V到52V)、非同步升压控制器。

如图2所示，控制器主要用来控制蓄电池充电和蓄电池向LED供电。控制器在保证LED恒流工作的同时，也会监测LED的状态以及控制工作时间长短。连续阴雨天以及蓄电池电能不足的情况下，控制器会发出控制信号来启动外部的市电供电系统，保证LED的正常工作。整个控制器的控制是通过一个MCU来实现，MCU的主要工作包括以下几点：一是采用MPPT算法来优化太阳能电池板工作效率；二是针对蓄电池不同状态采用合适的充电模式；三是保证LED驱动电路的恒流输出；四是判断白天黑夜并以此来切换蓄电池充电和放电模式；最后就是提供监控保护、温度监测、状态输出和用户控制输入检测等功能。在多种MCU方案中，意法半导体更是推出完整的基于STM32 MCU的太阳能LED街灯方案。

目前，大多数太阳能逆变器只能从太阳能电池板的某个最佳位置对电池板的整体效率进行优化。这种优化方法严重制约了太阳能发电系统的效率。美国国家半导体SolarMagic技术将为太阳能光伏系统带来革新。SolarMagic并不是单体IC，其外形为模块形状，尺寸为10×12cm左右。该技术能够智能管理太阳能光伏(PV)电池板电量，可监察并优化每块电池板的发电量，让它们能以最佳的功率点去运行，并改善电池板中的电流流向。通过采用SolarMagic技术，太阳能发电系统可挽回50%以上因输电失配或阴影遮蔽而损失的发电量。

前景展望

半导体产业的进步，把手机、PC等变成了普遍的必需品。虽然目前来看新能源的利用成本有时候并不逊于传统能源，例如与现有的电力成本相比，太阳能/风能的发电成本要高出数倍。但毋庸置疑，新能源已经明显上升到了国家战略的高度，技术的进步必然也会把新能源变成类似手机和PC一样普遍的必需品。

所有迹象表明新能源将是近代基于低碳经济的一场技术革命。可以预见，2010年必将是围绕新能源大做文章的一年，不仅仅是太阳能/风能发电、新能源汽车、新能源照明、还有更广阔的应用等待我们去挖掘。未来新能源产业的价值链将围绕新能源收集和新能源利用，更有效的收集和开拓新能源的新应用会为半导体厂商开拓新的价值增长点。