《電子技術(shù)應(yīng)用》
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半導(dǎo)體在改善能源效應(yīng)中的角色

2008-12-09
作者:崔澎 王瑩

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  歷史發(fā)展進(jìn)入現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)后,,能源已經(jīng)成為人類文明進(jìn)步的首要推動(dòng)力,。伴隨著最近20年全球經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展,,全球能源消耗總量更是一直在持續(xù)攀升,。2007年全球能源消耗保持強(qiáng)勁,主要能源消耗比上一年增長(zhǎng)了2.4%,,這一數(shù)字僅比2006年的2.7%略低,。消費(fèi)增長(zhǎng)最大的是亞太地區(qū),中國(guó)增加了7.7%,,這已是2002年以來最低漲幅,,而國(guó)際能源組織(IEA)甚至預(yù)言中國(guó)將在2010年之前取代美國(guó)成為耗電量最大的國(guó)家。根據(jù)國(guó)際能源年鑒的預(yù)測(cè),,2010年的世界能源消耗市場(chǎng)將達(dá)到511千兆BTU(英制熱量單位,,1 BTU約等于1055焦耳),2030年增加到702千兆BTU,,比當(dāng)前的能耗需求增加了一半還多,。

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  隨著大量能源被消耗掉,尤其是不可再生能源,,接踵而來的是日益凸現(xiàn)的能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)問題,。在我們努力開發(fā)風(fēng)能、太陽能這些替代能源的同時(shí),,還必須尋找新的途徑,,力求以更少的能源消耗完成更多的任務(wù),并且改善溫室效應(yīng)導(dǎo)致的環(huán)境惡化,。

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  集成電路被寄予了厚望,。隨著過去半個(gè)世紀(jì)的技術(shù)創(chuàng)新,特別是在微電子領(lǐng)域,,能源的利用已經(jīng)成為生產(chǎn)力以及世界各地人民生活水平提高的主要推動(dòng)力,。半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步對(duì)家庭,工廠和運(yùn)輸系統(tǒng)的能源使用效率,,以及可再生能源使用效率的提高做出了巨大貢獻(xiàn),。采用先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的芯片在工作時(shí)可以發(fā)揮更高的效率。在系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí),,又可減少系統(tǒng)的功耗,兩方面都對(duì)較少排放溫室氣體有很大的貢獻(xiàn),。部分電子產(chǎn)品甚至可利用感測(cè)功能應(yīng)對(duì)供電系統(tǒng)的突然變化,,靈活調(diào)整操作避開高峰用電時(shí)段。例如,,部分電熱水爐的家電產(chǎn)品設(shè)有時(shí)延功能,,可將正常操作延遲至高峰時(shí)段之后,。

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圖1 主要的電能消耗


圖2目前的能效評(píng)級(jí)

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  事實(shí)上,電能的流動(dòng)過程就像一條鏈條,,從電源的產(chǎn)生,,到電源的輸送,再最終到各種不同的電能消費(fèi),。每個(gè)環(huán)節(jié)都有功率變換器,,每次功率變換就意味著能源損耗。為了把損耗降到最低,,必須在各種不同的化解采用不同的器件和芯片,。據(jù)統(tǒng)計(jì),在我們采用電力設(shè)備將初始的能源材料成為電能后,,51%電能消耗在電機(jī)驅(qū)動(dòng)上,,照明占據(jù)了19%的電能,加熱和制冷以及IT應(yīng)用的電力消耗分別有16%和14%,。

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  “每一個(gè)分類應(yīng)用都有很大的節(jié)能空間,。”Fairchild中國(guó)及東南亞地區(qū)銷售副總裁陳坤和告訴記者:“如果把所有的單相AC電機(jī)換成可變速電機(jī),,可節(jié)省多達(dá)40%的電量,;采用高效率的開關(guān)電源能帶來35%的電能節(jié)省,;用CFL照明代替白熾燈泡,,單單照明應(yīng)用就可減少75%的電能,如果進(jìn)一步使用LED帶來的能效會(huì)更高,?!?BR>
電機(jī)驅(qū)動(dòng):邁向電子控制

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  全球一半的電力消耗是用于電機(jī)驅(qū)動(dòng),由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電器遍布于生活的每一個(gè)角落,,例如,,空調(diào)、洗衣機(jī),、電梯,、電動(dòng)自行車、跑步機(jī)等等,。因此,,效率低下的電機(jī)帶來極大的電量浪費(fèi),根據(jù)EPRI,、 ACEEE ,、IMS research多家機(jī)構(gòu)的綜合估算,每年約有73億美元的電能因?yàn)榈万?qū)動(dòng)效率而浪費(fèi)掉,。

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  隨著美國(guó),、歐盟和中國(guó)等主要市場(chǎng)對(duì)能效規(guī)范越來越嚴(yán)格以及能源價(jià)格上升帶來的市場(chǎng)壓力,,采用高效的電子控制" title="電子控制">電子控制電機(jī)已經(jīng)勢(shì)在必行。在韓國(guó),,如果100萬臺(tái)40hp的電機(jī)轉(zhuǎn)為采用高效能電機(jī),,每年總體電能消耗將下降2%。因?yàn)?,從非逆變器交流?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)用逆變控制驅(qū)動(dòng)能夠提高20%的能效,,而由逆變器驅(qū)動(dòng)的無刷電機(jī)(BLDC)可節(jié)能多到40%。

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  電機(jī)控制" title="電機(jī)控制">電機(jī)控制電子化優(yōu)勢(shì)很多,。據(jù)陳坤和介紹,,因?yàn)闊o刷直流及開關(guān)磁阻電機(jī)需要電子控制來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,而變頻控制讓交流感應(yīng)電機(jī)可以變速運(yùn)作,。此外,,許多應(yīng)用都要求對(duì)所控制的過程中的一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)進(jìn)行專門控制,例如卷揚(yáng)系統(tǒng)(Winding System)中可能使用恒力矩來提供張力,,這就要求精確的速度,、轉(zhuǎn)矩和功率控制,這些只有采用電子控制才能帶來,。而且,,電子控制可讓交流感應(yīng)、無刷直流,、以及開關(guān)電磁阻電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)微調(diào),,以滿足不斷增長(zhǎng)的電機(jī)應(yīng)用需求,并提供更高的效率,。而如果采用功率因素校正(PFC)技術(shù),,電子控制就能夠從電力線路獲取能量,減少電網(wǎng)的負(fù)擔(dān),。

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  陳坤和介紹了Fairchild的一款200W無刷直流電機(jī)產(chǎn)品FalconEye,,因?yàn)椴捎昧薖FC技術(shù)功率因數(shù)超過了95%,功率級(jí)(power stage)使用了Motion-SPM(智能功率模塊)從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)降低BOM成本,。電源采用的是綠色FPS和光隔離誤差放大器,,整流器是600V的IGBT。
  
空調(diào):從感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)向永磁電機(jī)

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  2008年中國(guó)空調(diào)機(jī)的出貨量預(yù)計(jì)是6000萬臺(tái),,而到2011年將接近7000萬臺(tái),,其中只有500萬臺(tái)是變頻空調(diào),不到10%,。因此作為電機(jī)控制的典型應(yīng)用,,空調(diào)的節(jié)能空間非常大。表1是中國(guó)和歐洲空調(diào)機(jī)的能效標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比。中國(guó)新的能效標(biāo)準(zhǔn)將在2009年3月份實(shí)施,,原來計(jì)劃是1月份。能效標(biāo)準(zhǔn)會(huì)從入門級(jí)5級(jí)2.6升到2級(jí)3.2,。變頻空調(diào)能效比的標(biāo)準(zhǔn)也在制定中,,很快會(huì)實(shí)施。據(jù)IR中國(guó)應(yīng)用中心高級(jí)經(jīng)理李明透露,,變頻空調(diào)能效比應(yīng)該是3.0,,3級(jí)是3.9。

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表1 空調(diào)機(jī)的能效標(biāo)準(zhǔn):中國(guó)和歐洲的對(duì)比




  雖然空調(diào)是屬于制冷,,但全部都是靠壓縮機(jī),、電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。如果從感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)為永磁電機(jī)" title="永磁電機(jī)">永磁電機(jī),,采用內(nèi)線磁棒式的永磁電機(jī),,電能損耗可以從13%降到4.8%。另外還可以采用永磁電機(jī)控制系統(tǒng)和永磁電機(jī)調(diào)速,。IR的iMotion永磁電機(jī)控制綜合平臺(tái)是一個(gè)永磁電機(jī)調(diào)速平臺(tái),,它集成了數(shù)字控制器、模擬接口和功率半導(dǎo)體,,并且通過固件,、算法和軟件工具對(duì)家用電器中的永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)進(jìn)行無傳感器變速電動(dòng)機(jī)控制。iMotion平臺(tái)可以用于空調(diào)室外機(jī)的壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的控制,,兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)用無傳感器PM正弦波控制,;由于采用先進(jìn)的控制算法" title="控制算法">控制算法,可以使用單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī),。

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  圖3 IR的iMotion永磁電機(jī)控制綜合設(shè)計(jì)平臺(tái)


??? 作為iMotion平臺(tái)的核心只能電機(jī)控制芯片組,,IRMCK300系列包含2個(gè)重要的組成部分,MCE和一個(gè)8位MCU組成的混合型控制IC,。電動(dòng)機(jī)控制引擎(MCE)針對(duì)永磁電機(jī)傳感器的控制算法,,預(yù)先寫好控制算法,以硬件的方式實(shí)現(xiàn)無傳感器永磁電動(dòng)機(jī)控制和功率因數(shù)校正控制,??照{(diào)控制系統(tǒng)由三部分組成,一個(gè)是60MIPS的8051 8位MCU,;一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制引擎(MCE),,是一個(gè)可配置控制電路模塊;還有一個(gè)模擬信號(hào)引擎(ASE)包括信號(hào)處理和12位的ADC,。運(yùn)動(dòng)控制引擎完全是一個(gè)模塊式的芯片,,要組成一個(gè)控制算法的時(shí)候,只需要把其中提供的功能塊通過IR提供的工具連接起來就可以。例如,,PI調(diào)節(jié)器,,濾波器,可以通過軟件工具連成希望達(dá)成的控制算法,,不需編寫底層軟件,。

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  隨著政府對(duì)空調(diào)能耗的規(guī)范越來越嚴(yán)格,在今后兩年,,空調(diào)機(jī)的COP(制冷機(jī)的性能系數(shù))將提高到3.4,,在今后五年COP系數(shù)將可能超過5。按照3500瓦的制冷量計(jì)算,,如果變頻空調(diào)和定頻空調(diào)的COP提升到5.5,,使用空調(diào)的家庭一年500小時(shí)可以節(jié)省240元人民幣。以2008年中國(guó)6000萬臺(tái)的空調(diào)機(jī)生產(chǎn)量為例,,一年的節(jié)電量,,可以在240億度電,相當(dāng)于可以少建24個(gè)10億度電發(fā)電規(guī)模的電廠,。

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改善電源芯片效能:做的還不夠

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  在電機(jī)控制,、電源和照明三大應(yīng)用中,電源的節(jié)能效率應(yīng)該是最高的,,從過去的低于60%一直增長(zhǎng)到今后的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過90%,,但是依然還有很多可以改善的細(xì)節(jié)。另外一個(gè)趨勢(shì)是,,系統(tǒng)的小型化使得整個(gè)系統(tǒng)變得越來越小,,英飛凌高級(jí)技術(shù)總監(jiān)里歐.勞倫斯博士認(rèn)為,到2010年,,電源系統(tǒng)將會(huì)只有現(xiàn)在的20%大小,,再過十年,還將降低5倍,。

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圖4紅框中的部分是可以利用新的元件提升整體系統(tǒng)的效能

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  至于如何改善電源的能效,,ON Semiconductor汽車及電源管理產(chǎn)品部全球銷售及市場(chǎng)總監(jiān)鄭兆雄認(rèn)為可以從三點(diǎn)入手,一是功率因數(shù)校正(PFC)能效,,其次是主轉(zhuǎn)換器的效率,,最后是次級(jí)整流的效率。圖4紅框中的部分是可以利用新的元件提升整體系統(tǒng)的效能,。

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  改善PFC的改善目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)96%的功率因數(shù),。可以采用無橋PFC減少橋損耗,,在高功率應(yīng)用中使用交錯(cuò)使PFC,,或者采用IC技術(shù)較少開關(guān)損耗,采用更好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較少EMI濾波器損耗。另外,,像英飛凌在PFC的高壓MOSFET和二極管制造工藝方面采用了CoolMOS,,節(jié)能潛力可以達(dá)到2%~3%。主轉(zhuǎn)換器段的節(jié)能潛力也可達(dá)到1%~2%,,其設(shè)計(jì)考量包括:采用降低導(dǎo)通阻抗或者減小初級(jí)峰值電流和均方根電流來降低初級(jí)導(dǎo)電損耗,;用軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗;用低正向壓降二極管或FET整流器,,減少整流器壓降,從而降低次級(jí)損耗,;采用更好的磁芯材料降低磁芯損耗,,等等。此外,,用次級(jí)整流同步降壓轉(zhuǎn)換器和DC-DC軟開關(guān)技術(shù)可以進(jìn)一步提升次級(jí)整流方案的3%~4%的效率,。

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  而在電源管理芯片方面,未來一代的產(chǎn)品應(yīng)該有靈活應(yīng)變的特色,,可以應(yīng)對(duì)負(fù)載的變化迅速調(diào)整功能,。例如,中央處理器若無需要以最高平率工作,,可以調(diào)低其時(shí)鐘頻率減少功耗,。此外,時(shí)鐘頻率一旦下調(diào),,供電電壓也應(yīng)隨之下調(diào),,有助于進(jìn)一步減少功耗。最新的集成電路設(shè)計(jì)更特別為中央處理器,、數(shù)字信號(hào)處理器,、ASIC等耗電量較大的內(nèi)核分別提供獨(dú)立而又可以加以設(shè)定的輸出電壓。內(nèi)核附近的傳感器負(fù)責(zé)判斷內(nèi)核所需的最低工作電壓,。無論采用最高還是最低功率,,又或是待機(jī)工作模式,未來一代的電源管理芯片都應(yīng)該發(fā)揮最高的轉(zhuǎn)換效率,。

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  以平板電視為例,,它已經(jīng)成為四大高能耗家用電器之一,各個(gè)國(guó)家都在節(jié)能和環(huán)保方面建立了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),,比如將于2008年11月生效的美國(guó)“能源之星”電視產(chǎn)品3.0規(guī)范,。這些標(biāo)準(zhǔn)引入以引導(dǎo)消費(fèi)者使用更加節(jié)能的產(chǎn)品,同時(shí)對(duì)產(chǎn)品的進(jìn)入提高了技術(shù)門檻,。

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表2 美國(guó)“能源之星”電視產(chǎn)品3.0規(guī)范將于2008年11月生效

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  平板電視的節(jié)能設(shè)計(jì)主要在體現(xiàn)在兩個(gè)方面,,電源和整機(jī)設(shè)計(jì),而降低待機(jī)功耗是電源設(shè)計(jì)的重要話題。美國(guó)加州的監(jiān)管機(jī)構(gòu)規(guī)定新產(chǎn)品不能超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),,國(guó)際相關(guān)組織也有非強(qiáng)制性的產(chǎn)品標(biāo)簽規(guī)定,,但大致上待機(jī)功耗規(guī)定必須在0.3W~3W之間。對(duì)于可以利用遙控功能喚醒的電視機(jī)及電子消費(fèi)產(chǎn)品,,點(diǎn)擊功耗甚至可以低至0.1W,。

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  據(jù)海信電器有限公司副總裁戰(zhàn)嘉瑾介紹,海信現(xiàn)在設(shè)計(jì)的待機(jī)功耗,,保證在50W的負(fù)載條件下,,輸入功率小于100mW。同時(shí)采用專用的待機(jī)電源和待機(jī)MCU,,最大限度的降低待機(jī)功耗,。

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  至于降低開機(jī)狀態(tài)下的能耗,戰(zhàn)嘉瑾介紹說海信的方法是提高傳統(tǒng)單電源方式的轉(zhuǎn)換效率,。目前線型的電源轉(zhuǎn)換效率,,一般在82%左右。海信在2005年開始把電源方案改成雙正機(jī)的方案,,可以提高效率到87%,。2007年用LLC諧振變換器的方案,轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到90%,。以200W的液晶電視為例,,效率提高8%意味著單臺(tái)整機(jī)可以節(jié)省16W的電量。

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移動(dòng)設(shè)備:凝聚在其中的電源管理智慧

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  快速增長(zhǎng)的個(gè)人移動(dòng)設(shè)備是近年來牽動(dòng)IC市場(chǎng)發(fā)展的引擎,,為了延長(zhǎng)電池的使用壽命,,不僅要求IC本身低功耗,更需要在顯示,、LED驅(qū)動(dòng),、音頻等方面(如圖5)進(jìn)行電源管理;同時(shí),,還要求IC體積小巧,、集成更多功能;并提供各種不同設(shè)計(jì)工具及相關(guān)資源,,以加快整個(gè)設(shè)計(jì)過程,。


??? 例如,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS公司)把其專利的PowerWise電源管理技術(shù)用于各種芯片中,。

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圖5 NS的PowerWise移動(dòng)系統(tǒng)解決方案

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  MPL 在移動(dòng)設(shè)備的顯示屏方面,MPL(移動(dòng)像素鏈路)可以降低鏈路地功耗,,方法是把并行信號(hào)變成高速串行信號(hào),這樣便可采用更小巧的連接器及柔性PCB(印制電路板),,好處是可以減少電磁干擾和功耗,,并使最終產(chǎn)品小巧纖薄,。

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  LED驅(qū)動(dòng)器 PowerWise燈光管理解決方案中,NS推出了創(chuàng)新的LED RGB(紅/綠/藍(lán))驅(qū)動(dòng)器,。目前手機(jī)主要是白光背光的,。白光背光不是純白,這是因?yàn)榘坠釲ED的光譜分布與LCD的彩色濾波器不能互相配合,,而RGB LED的光譜與LCD的可配合,,因而不會(huì)濾除任何光線,可以達(dá)到100%色域,,可以讓圖像更加明亮,。而且白光驅(qū)動(dòng)有較高的能耗;但用RGB背光,,并加上濾波器,,用戶能達(dá)到良好的顏色效果。諸如NS的LP5520 RGB LED背光系統(tǒng)可以取保顯示其的畫面色彩亮麗,,而且功耗更少。

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圖6 白光LED的光譜及LCD的彩色濾波器

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  音頻 音頻部分涉及Boomer D類放大器,,裝飾燈驅(qū)動(dòng)器,、音頻子系統(tǒng)、遠(yuǎn)場(chǎng)噪音抑制技術(shù)等,。NS的采用遠(yuǎn)場(chǎng)噪音抑制技術(shù)的模擬音頻麥克風(fēng)陣列芯片,,其耗電比采用數(shù)字處理器的數(shù)字方案少90%,而且語音清晰度完全不受影響,。?

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  延長(zhǎng)電池壽命 長(zhǎng)時(shí)間打電話手機(jī)會(huì)發(fā)燙,,其原因是PA(功放)工作時(shí)間較長(zhǎng)。為什么工作長(zhǎng)時(shí)間會(huì)發(fā)燙呢,?現(xiàn)在的手機(jī)基本供電是從電池來的,,無論手機(jī)距離電池多近,都是同樣的效果,。NS的自適應(yīng)射頻(RF)功率芯片可以測(cè)到信號(hào)的強(qiáng)弱,,然后通過SuPA控制PA的電源,以此延長(zhǎng)電池的壽命,。

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  PowerWise AVS(自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié))技術(shù)的功耗比同類數(shù)字系統(tǒng)解決方案少64%,。它可以放在SoC里面,以監(jiān)控閉環(huán)電路的性能,,可以因應(yīng)不同的系統(tǒng)負(fù)載靈活做出調(diào)整,。



結(jié)語

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  目前,我們正面對(duì)兩大危機(jī):一是電力供應(yīng)趨于不穩(wěn)定,,另外溫室效應(yīng)對(duì)環(huán)境的影響能夠越來越大,。為了化解危機(jī),,世界各國(guó)都在制訂新的監(jiān)管法案,規(guī)定新的電子產(chǎn)品必須符合環(huán)保法例,。汽車是首當(dāng)其沖的一個(gè),,為了控制尾氣排放,很多機(jī)械的部件將為別電子器件取代,,歐.勞倫斯博士指出,,現(xiàn)在超過70%的汽車的創(chuàng)新都是通過功率電子來實(shí)現(xiàn)的,主要的目標(biāo)是為了降低燃料的消耗,,增加能效,,并且控制尾氣排放。

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  針對(duì)電力供應(yīng)負(fù)荷的問題,,遭遇過幾次大停電的美國(guó)政府也在考慮家電產(chǎn)品是否應(yīng)該加入特別的感測(cè)功能,,以確定供電系統(tǒng)是否已超負(fù)荷。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該具有前瞻的眼光,,將這類產(chǎn)品付諸于實(shí)際設(shè)計(jì)中,。

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