MPS：降低損耗以減少碳排放——從工藝到方案的進化

眾所周知，整個電力系統分為發電、輸電、配電和用電等幾個過程。如果將總能源以100%計算，則被利用的能源就只有大約50%。那這其中的能源損耗在哪里？CVFednc

日前，在AspenCore旗下《EDN電子技術設計》、《EET電子工程專輯》和《ESM國際電子商情》三大媒體共同舉辦的“2022國際集成電路展覽會暨研討會（IIC）”南京站的“2022 國際‘碳中和’電子產業發展高峰論壇”上，MPS公司北中國區副總經理盧平帶來了“降低損耗以減少碳排放——從工藝到方案的進化”的主題演講。側重從配電到用電階段，探討了如何降低電能損耗，幫助實現碳排放降低，進而最終實現碳達峰碳中和。CVFednc

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他指出，能源的損耗包括能源轉化損耗、傳輸損耗和使用側損耗。其中包含從給電網絡到最終使用網絡的電源轉換，包括在轉換的時候可能又從電能往機械能的電機轉換，所以最終能夠被大家使用到的能源很可能不到50%。CVFednc

從使用側進一步分析，損耗具體發生在哪些器件里面呢？首先是功率器件，這就涉及功率器件的提升。在能源轉換當中磁性器件也非常重要，因此磁的損耗也是一塊。除了輸電里的電力損耗，在用電的時候線路損耗也是一部分。我們在每個不同環節都要不斷地去尋找方法，把這些損耗進一步降低，例如：CVFednc

• 功率器件的損耗，功率器件的提升包括降低導通阻抗（Rdson）、Qg諧振技術以及新的拓撲……
• 磁損耗，包括優化磁性材料，線性變壓器改用開關電源；
• 線路損耗，其思路是提高母線電壓，降低線路電流；
• 待機功耗，優化設計；
• 電到其他能源的損耗，則需要采用更高效的能源轉換方式。以電機為例，例如有刷電機向無刷電機轉換；照明來說，則是從原來鹵素燈到LED側轉換。

MPS作為半導體企業，又做了哪些事情來實現降低損耗呢？MPS非常核心的一點是堅持工藝創新。“雖然我們并沒有自己的制造廠，但是我們有自己的工藝BCD，它是一種混合工藝，將三極管工藝、CMOS工藝和DMOS工藝進行集成。我們一直走的是平面工藝方式，很多時候會在高頻化看到它的工藝優勢。目前工藝，低壓6V到高壓1000V，小的幾安培到80安培，覆蓋了用電側的方方面面。最新一代BCD6工藝用在業界最頂尖的領域，包含電源集成工藝。對于模擬來說，它的工藝節點55nm，對BCD來說也是達到業界最頂尖的水平。最新的使用場景是服務器、人工智能等需要大電流的場景。我們不斷用工藝創新來將能耗進一步降低，既達到節能減排，又幫助客戶在比較狹小空間當中完成設置。在汽車、醫療、AC/DC當中有自己的工藝來幫助客戶實現集成化的設計。”盧平介紹說。CVFednc

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MPS工藝模式叫Virtual IDM，事實上是MPS跟Fab有深度合作，把自己工藝嫁接到晶圓廠工藝和設備上，跟晶圓廠協同開發最新的工藝。這樣的好處在于，MPS可以跟所有晶圓廠進行合作，也可以利用到最先進的工藝節點，在這個基礎上開發出更有競爭力的工藝產品出來。CVFednc

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二十多年來，MPS的（功率器件）工藝技術不斷進步，從最早的BCD+發展到BCD3、4、5、6。這到底體現在哪些方面呢？盧平指出，這包括兩個方面，一個是DMOS R×A。當工藝提升的時候，將面積乘阻抗再降低，實際上可以獲得更低的導通損耗或在同樣阻抗下可以做得更小，最終實現小型化的需求。另一個是功率器件不僅僅有導通損耗，還有開關損耗。R×Qg，也即電容關聯度或電量關聯度，這個值越小意味著開關損耗越低。這兩點不斷往前迭代，MPS平均每三年左右會有一個技術迭代，也就是不斷將這兩個參數進行更高或者向更小方向轉換。CVFednc

MPS從2000年左右快速進入這個市場，從第一代到現在第四代所定義的細分市場分別為：最早單一產品用在筆記本產品上；第二代進入到筆記本和合成類產品；2010年左右開始進入到汽車、工業、服務器、計算、通信領域；到現在則正在進入新的時代，其定位一部分是能源轉換的數字化，另一部分是給客戶提供更多方案，而不是單一的產品。CVFednc

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數字化可以淺談最基礎的兩點。“數字化對于電源來說帶來了什么變化？第一，是能源監控和管理。二十年前的電源大部分是純模擬的東西，其實你不清楚到底輸出了多少功率，也不清楚消耗了多少功率，而現在通過將ADC放在電源里面，可以比較精確地計算出輸出電壓和電流，也就計算出了功率損耗。對于整個系統來說就可以進行能源的管理。另外，DAC可以在系統層面，利用CPU或者GPU側，跟行業界頂尖廠家進行非常深入的合作。我們可以配合系統來調整你需要的電壓和不同的控制模式，降低系統端的損耗，因為很多時候損耗并不是電源損耗。”盧平指出。CVFednc

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MPS是基于硬件的數字電源，而不是基于MCU或者DSP的架構。“它能夠給我們帶來哪些好處呢？它可以實現非常靈活的配置。從開發來說可以快速開發，不需要軟件工程師配備，也可以實現非常復雜的，多模式的變化，在切換形式下面可以實現更低的待機功耗。”CVFednc

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MPS在高性能數字電源方面覆蓋了不同領域。從POL電源到給CPU供電的多相電源、電源模塊，到中間級熱插拔、PFC+LLC Combo，再到圖騰柱PFC控制器，在配電和用電側，可以給客戶帶來豐富的選擇。應用場景包括新能源、計算、工業、通信、汽車和家用電器。CVFednc

BCD工藝實現了控制器和功率的集成?，F在在做的很多功率模塊，則是除了將控制器和功率模塊，還將磁性器件以及電容等器件3D封裝起來，直接形成產品化，這樣功率密度和整體轉換效率可以得到更高，這也是不斷在被應用場景驅使的情況下去做的各種不斷的嘗試。CVFednc

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對于大功率的使用場景，MPS現在在做48V總線，通過將傳統的12V/24V總線電壓提升到48V，可以降低走線損耗。CVFednc

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MPS還提供了儲能電池包的管理，包括模擬前端和電量計，也可以給客戶提供整體解決方案，從而幫助客戶在BMS設計當中加快他們的設計。CVFednc

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下圖是MPS 3kW的AC/DC整體解決方案。在新能源汽車轉換場景也用到MPS不同的技術，比如隔離器，LLC控制器，隔離電源模塊。在方案提供上，MPS除了變壓器和PCB不是自己做，其他很多器件都可以提供。CVFednc

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就應用場景來說，MPS可以在新能源相關的場景，從儲能到汽車電氣化、變頻器、充電站，都用到新的功率變換器，所以MPS也以方案的形式跟客戶進行合作。CVFednc

另外，MPS也提供一體化伺服電機。將電機、減速器、位置傳感器、控制和功率驅動集成在一個模塊里面，這對于客戶來說使用就非常簡單，可以降低線束的使用，而且架構改變的時候，MPS可以進行定制化設計，現在像工業自動化、線性執行器、AGV、門閘機等都可以提供一體化方案。CVFednc

最后，MPS在中國能做哪些事情幫助我們實現碳中和呢？“我們全球運營中心是在中國成都，在電源和模擬行業做了25年，積累了很多經驗。我們在中國有接近2000人，覆蓋從研發，運營到測試到應用支持，可以更好地服務中國的客戶。從產品來說，MPS有超過4000個產品來幫助客戶實現高效率的能源轉換。”盧平總結說。CVFednc