設計高效率家用電器之完整解決方案

TinyDIP SPMR模組系列的引腳配置及內部區塊圖 (底部)

隨著電價的不斷攀升，消費者對節能型家用電器的需求也隨之增長。而除了環保節能的要求之外，消費者在購買洗衣機、洗碗機，或者高科技產品如LCD TV等重要的家用電器產品時，對於產品的使用壽命、可靠度及性能的條件也同樣重視。
為了達到高效率的要求，產品設計人員必須謹慎考慮採用的設計元件，才能達到滿足節能要求、同時提升產品性能的目標。快捷半導體在消費性家用電器產品方面積極提供符合消費需求和環保要求的設計解決方案，由於其解決方案完整且涵蓋的產品面廣泛，包括如洗衣機等傳統的白色家電(white good)、以及如LCD TV等高科技的黑色家電(black good)，都有滿足高效率產品設計的元件。

高效率變頻馬達設計

由於馬達在白色家電產品中，常會有頻繁啟動？停止的情況，而馬達啟動時有一定的能量損失，因此馬達驅動與節能技術在白色家電運用相對要求更高。所以在洗衣機或烘乾機等需要變頻驅動馬達的白色家電產品中，永磁同步馬達(PMSM)或高效感應式馬達正逐漸取代傳統馬達；尤其是，長期以來馬達驅動控制設計人員一直以來都依賴的離散式元件(Gate driver and IGBT/MOSFET)的解決方案來設計，但目前也有漸漸被高整合度的解決方案所取代的趨勢，例如快捷半導體應用於馬達的智慧型功率模組(Smart Power Module, SPM)。

目前新技術的智慧功率模組由於擁有高整合度的設計優勢，因此其運用日益廣泛。這裡以新推出的智慧功率模組「μMini DIP SPM」為例子做一個說明。該元件整合了三個半橋電路，其中還涵蓋了自舉二極體、NTC、精細調節柵極驅動器和眾多附加保護功能，如欠壓鎖定、短路保護及故障輸出，因而保證了高可靠度。

而為了降低模組功耗，並使柵極驅動器的待機電流減少，從而達成節能驅動，與傳統分立式解決方案相比，其IGBT和驅動器的匹配可確保更高性能，功能變化的可控制度大為提高。此外該模組的保護功能元件靠近功率開關使得保護啟動與偵測更加迅速與精準。而且採用低熱組封裝，可減少負載週期的溫度變化，使它具有-40oC到+150oC的寬結溫操作範圍，因此該模組同時適用於家用電器及工業應用。

另外一個例子是適用於低功耗應用的智慧功率模組「TinyDIP SPM」。設計使用於低功率的馬達驅動例如空調內外機風扇與直流無刷吊扇等產品，在此類型SPM器件中以MOSFET取代IGBT所構成三個半橋電路的高整合度，其中還整合了自舉二極體、精細調節柵極驅動器和欠壓鎖定保護功能(見圖一)。特別針對於較小輸出電流的應用，由於沒有膝點電壓和電流拖尾(current tail)，使用MOSFET的損耗比IGBT要低。

同時MOSFET的短路耐受時間比同額定的IGBT高一級距，因此成為低功耗電器的最佳解決方案，TinyDIP SPM模組就是這類SPM器件的最佳範例，其整合式的MOSFET解決方案非常適合於泵和風扇等低功耗應用，因為這種完全隔離的模組可以非常靠近馬達放置。而該模組尺寸只有29mm x 12mm，帶散熱器情況下的最大可輸出功率高達200W，這是相同尺寸、基於IGBT的解決方案做不到的。此外還可採用SMD封裝以簡化該模組的裝配過程。在很多情況下，採用無散熱器SMD SPM封裝成為首選的方案。

提升LCD螢幕電源效率的控制器

在高科技的黑色家電部分，LCD TV的市場隨著傳統的CRT電視逐漸式微而開始大幅成長。除了螢幕尺寸、解析度受到消費者關注，LCD TV是否具備高效率及省電的優勢，也成為製造商在設計和生產時要達到的目標。

快捷半導體推出的FAN6755元件是針對LCD螢幕的交換式電源供應器(SMPS)開發的脈寬調變(PMW)控制器。它不但有多個強化返馳式轉換器的功能，而且在降低待機功率方面配置專有的自應式節能模式，在負載較輕的情況下，內部專有的節能模式會啟動以減少切換頻率、降低功率損失。

對PWM控制器而言，功耗損失和切換頻率成正比關係，也就是說，交換式電源供應器的切換次數愈少，功率消耗就愈低。FAN6755提供切換斷開時間調變的節能模式，可持續地降低輕負載時的切換頻率。設計人員通過對臨界電壓的設定來啟動節能模式。於負載較輕時，自然啟動的節能模式使電源供應器的輸出電壓提高，反饋電壓因此下降而使切換頻率減少。當反饋迴路電壓低於臨界電壓以下，切換頻率就會持續降低到節能模式的最低值23KHz(見圖二、fOSC-G=23KHZ)。

由於將許多功能整合在一起，FAN6755元件也協助降低材料清單的成本。除了專有的節能模式，另外還提供許多保護功能，如欠壓及過壓保護功能。而其跳頻架構以預先設定的時間間隔變換頻率，讓電磁干擾在任何給定的切換頻率下都可以保持低於正常標準值。

此外FAN6755在待機和關機模式的節能表現都比節能之星的要求更好，舉例來說，在輸入的交流電壓為264Vac、並且需在待機模式下供應30mW給LCD控制電子元件的條件下，採用FAN6755的電源供應器能使整個待機功率低於90mW。

結論

在全球都積極節能的趨勢下，主要的國際電源保護規範如能源之星，要求眾多電子產品之電源供應器需符合環保規範要求；而歐盟EcoDesign規範也促進耗能電器的高效率驅動技術的發展。對消費性產品的設計人員而言，未來謹慎採用高整合度的解決方案以提高產品效率、達到節能目標、為消費者省下大筆電費，將是不可避免的趨勢。

快捷半導體對這股未來趨勢積極做出回應，提供消費性產品設計人員完整的節能型家電產品設計解決方案。在白色家電部分提供變頻驅動的馬達技術，以SPM器件控制的永磁同步馬達實現洗衣機等傳統家電的節能目標；而在黑色家電部分，推出高整合度的PWM控制器，協助提升LCD TV電源效率以滿足節能法規。這些解決方案能夠幫助設計人員開發出具有高成本效益、並可達到高效率的節能型家電產品。