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綠能電子論文剖析

前言

  為因應全球對於能源危機問題之注重,使得世界各國為降低對石油依賴,而加速推動綠能產業相關產品的開發及導入,均積極研擬獎勵政策與措施,加快腳步來改善生活環境,因此,本次2012 ISSCC 論著剖析作業乃以綠能電子應用領域為主,其剖析之技術方向主要為適應性及低功耗的電路設計、切換式的電源控制技術及聲音和電源轉換器等三大類。

 

適應性及低功耗的電路設計

  適應性及低功耗之電路設計乃為目前各種產品所追求之共同趨勢。下一代的低功耗產品應用,如操作在次臨界電壓的處理器,視覺識別和網路處理器…等,都需要新的電路技術使每個操作都只需消耗最低能量,而這些產品進一步的發展出時序錯誤檢測和低電壓操作的錯誤更正,如適應性的架構和邏輯閘的新技術來使得效能最大化,以滿足效能目標的要求。以下6篇論著即針對其相關技術進行探討之︰ 其中由於正反器電路對於高速且高能量利用率之微處理器(microprocessor)的操作時脈和整體功率影響很大,因此,[1.1]即利用高能量利用率之正反器(flip-flop)電路設計來減少能量的消耗。然因工作電壓與動態功耗呈二次方反比,因此,操作於次臨界電壓 (sub-threshold)被認為是非常有效的數位系統節能方式,因此,[1.2]即提出一適合用於能量有限系統中之低電壓處理器。而因製程與溫度之變異容易造成計算延遲的不匹配,為維持錯誤偵測的涵蓋範圍並同時減少暫存器之數量與面積,[1.3]則提出一種數位適應性電壓調整機制。而為偵測和更正時脈錯誤,一個基於 Razor架構之Bubble Razor(B-Razor)架構[1.4]亦被提出。近來無線感測網路(wireless sensor networks)之相關應用皆著重在延長系統工作週期和極低的碳排放(耗能)特性,因此,[1.5]提出一管理多個無線感測結點(wireless sensor nodes)之低工作電壓微控制器(microcontroller)。為了減少製程變異和時序不確定性所造成之影響,[1.6]提出了具有3個特殊機制的10個佇列的Synctium-I平行SIMD(single-instruction multiple-data)處理器。

 

切換式的電源控制技術

  在切換式的電源控制技術方面,則以3篇應用高效率電壓轉換器之技術進行剖析與介紹。許多系統晶片為了達到省電功能,需要內建多組電壓源。因此,越來越多電壓轉換器電路被設計成單電感多輸出的架構,[2.1]即利用電感儲能元件來達到多組輸出穩壓的功能,然由於多組輸出常遭遇互相干擾的問題,因此,作者提出新的構想,讓每組子輸出都具備緩衝器之特性,以解決各自輸出互相干擾的問題。切換式電壓轉換器除了利用電感元件的電壓轉換器之外,另一種則是利用電容元件來達到能量的傳遞。[2.2]即提出一應用在低功率與低轉換比的交換式電容直流-直流轉換器,可達到高效率(峰值達到92%,而在5mA到1A的負載範圍>80%)及寬輸入電壓範圍(7.5V到13.5V)。而有些LED照明驅動器為了安全的考量,被設計成具隔離作用之反馳式轉換器,為達到節能之需求,AC LED照明驅動IC的功率因數也越來越被重視,因此,[2.3]所提出之電路即可滿足低價位、高效率轉換、高功率因數和具三級管交流式開關之調光控制技術。

 

聲音和電源轉換器

  在聲音和電源轉換器方面,功率從一個種類轉換到另一個種類是類比電子世界的基本要求,然為達到高效率和所要求之效能,需要各種不同的解法去配合各種應用,因此,此部份將探討如何提高放大器之線性度表現,來獲得更低之THD及更低雜訊表現之放大器[3.1]。

3.1 An 8Ω 2.5W 1%-THD 104dB(A)-Dynamic-Range Class-D Audio Amplifier with an Ultra-Low  EMI System and Current Sensing for Speaker Protection

 

Reference

[ 1 ] 28.3 - E. Consoli, M. Alioto, G. Palumbo, J. Rabaey, “Conditional Push-Pull Pulsed Latches with 726fJ·ps Energy-Delay Product in 65nm CMOS,” IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC) Dig. Tech. Papers, pp. 482-483, Feb. 2012.

[ 2 ] 28.4 - S. Luetkemeier, T. Jungeblut, M. Porrmann, U. Rueckert, “A 200mV 32b Subthreshold Processor with Adaptive Supply Voltage Control,” ISSCC Digest Paper, 2012.

[ 3 ] 28.5 - K. Hirairi, Y. Okuma, H. Fuketa, T. Tasufuku, M. Takamiya, M. Nomura, H. Shinohara, T. Sakurai, “13% Power Reduction in 16b Integer Unit in 40nm CMOS by Adaptive Power Supply Voltage Control with Parity-Based Error Prediction and Detection (PEPD) and Fully Integrated Digital LDO,” ISSCC Digest Paper, 2012.

[ 4 ] 28.6 - Matthew Fojtik, David Fick, Yejoong Kim, Nathaniel Pinckney, David Harris, David Blaauw and Dennis Sylvester, “Bubble Razor: An Architecture-Independent Approach to Timing-Error Detection and Correction”, IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 488-490, Feb. 2012.

[ 5 ] 28.7 - D. Bol, J. D. Vos, C. Hocquet, F. Botman, F. Durvaux, S. Boyd, D. Flandre, J.-D. Legat, “A 25MHz 7µW/MHz Ultra-Low-Voltage Microcontroller SoC in 65nm LP/GP CMOS for Low-Carbon Wireless Sensor Nodes,” IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC) Dig. Tech. Papers, pp. 490-491, Feb. 2012.

[ 6 ] 28.8 - Robert Pawlowski, Evgeni Krimer, Joseph Crop, Jacob Postman, Nariman Moezzi-Madani, Mattan Erez and Patrick Chiang, “A 530mV 10-Lane SIMD Processor with Variation Resiliency in 45nm SOI”, IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 492-494, Feb. 2012.

[ 7 ] 16.1 - Chien-Wei Kuan, Hung-Chih Lin, “Near-Independently Regulated 5-Output Single-Inductor DC-DC Buck Converter Delivering 1.2W/mm2 in 65nm CMOS,” ISSCC Digest Paper, 2012.

[ 8 ] 16.5 - Vincent Ng, Seth Sanders, “A 92%-Efficiency Wide-Input-Voltage-Range Switched-Capacitor DC-DC Converter”, ISSCC Digest Paper, 2012.

[ 9 ] 16.3 - Jong Tae Hwang, Moon Sang Jung, Dae Ho Kim, Jun Hong Lee, Min Ho Jung and Jong Ha Shin, “Off-the-Line Primary-Side Regulation LED Lamp Driver with Single-Stage PFC and TRIAC Dimming Using LED Forward-Voltage and Duty-Variation Tracking Control”, ISSCC Digest Paper, 2012.

[ 10 ] 5.1 - Angelo Nagari, Emmanuel Allier, Francois Amiard, Vincent Binet and Christian Fraisse, “An 8Ω 2.5W 1%-THD 104dB(A)-Dynamic-Range Class-D Audio Amplifier with an Ultra-Low EMI System and Current Sensing for Speaker Protection”, ISSCC Digest Paper, 2012.

 

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