Home and Garden - Infineon Technologies

借助半导体技术实现家庭能源均衡利用

对于大多数人而言，家是生活的中心：家是每个人的避风港，也是力量的源泉。我们在家里享受悠闲时光，处理日常琐事，与亲人共度美好岁月。但是，当我们在家里使用供暖、制冷、烹饪、园艺或通信时，也会消耗大量能源。在此，我们每个人都可以从自己做起，为气候保护贡献一份力量。无论是冰箱、电视、割草机，还是树篱修剪机，都可以通过提高能效来实现大幅节能。

此外，过去主要以化石燃料作为能源的领域也在朝着电气化转型，这已成为减少二氧化碳排放的关键因素。也就是说，电力将在人们的日常生活中扮演越来越重要的作用。人们的日常生活将越来越离不开电力能源。电能是质量最高、最灵活的能源形态，因为我们可以很容易地将电能转换为光能、动能和热能。

英飞凌的半导体解决方案包括节能芯片、传感器、电机控制和联网系统，能够为家用电器实现节能做出重要贡献。

内燃机驱动的工具已经过时。这些设备不仅噪音大，而且污染严重。据加州空气资源委员会称，在相同的时间内，诸如落叶吹风机和割草机等小型燃气设备排放的烟雾污染物是家用汽车的数倍之多（如，落叶吹风机运行1小时≙汽车行驶1100英里）。因此，加州将出台一项新的法规，要求从2024年开始禁止销售燃烧化石燃料的电动工具。绿色环保的替代设备已经就位：配备高效无刷电机和锂离子电池的无线电动工具。这些替代设备具有相同甚至更出色的性能，特别是36V至72V的专业电动工具。在 DIY 行业，电动无线设备也日益兴起。在家居和园艺领域，许多人开始使用割草机器人和真空吸尘器机器人，以及无线树篱修剪机和钻机。借助现代半导体，这些电池供电的设备可以在提供高性能的同时，实现高能效。

展望未来，半导体解决方案如何提高电动工具的能效和使用寿命？来看看电机、充电和电池等主要领域。电机控制：如今，大约50%的电机是有刷电机。然而，小容量电池容量的无刷电机是大势所趋。功率器件、微控制器和传感器等可实现更高效的电机驱动，从而降低能耗，延长设备使用寿命。充电：现代充电器通过优化热管理降低了充电过程中产生的损耗，因此，相同充电容量所需电能更少。不仅如此，如今的充电器采用了更智能的电池充电技术，从而延长了电池使用寿命，并由此减少了每年产生的电池浪费。

电池管理：支持可持续发展的设备也采用经久耐用的电池。然而，这并不仅仅靠利用更大的电池来实现，因为电池越大所需材料越多，但电动工具仍需轻巧便捷。解决方案是利用功率器件和现代 BMS 架构来提高电池能效并延长电池使用寿命。

有了热泵技术，可以实现电气化供暖，减少对化石燃料的需求。在向绿色能源转型的进程中，这项技术一直占有重要地位。当前，由于地缘政治局势紧张，以及石油和天然气价格不可预测，这项技术进一步成为众人瞩目的焦点。热泵使用常见的制冷剂循环，将存在于环境中的热能（如空气、水或大地中的热能），转移到建筑物中。然后，可以将这些热能用于供暖和家用热水，甚至用于制冷。简而言之：热泵将环境中的热能转换为可供家居使用的能源形态。英飞凌半导体解决方案可支持室内机和室外机的所有热泵功能。功率组件驱动压缩机逆变器和风扇，传感器测量温度，半导体器件支持远程控制和互联网连接。

热泵运行不产生碳排放，不消耗燃气；压缩泵运行靠电力驱动，理想情况下可以采用可再生能源电力。热泵可以仅耗用1 kW 电力来运行电机，以便从环境中提取能量，然后将多达3 kW 到6 kW 热能转移到建筑物中。正因如此，热泵具有很高效率——简而言之：由于能量来自环境，热泵消耗的电力比最终输送的热能少。结合储能系统，热泵可以吸收由可再生能源产生的电力所带来的波动，从而利用风光发电来满足越来越大的用电需求。此外，对现有建筑物进行净零碳翻新改造，可以进一步提高热泵运行效率。

热泵使用制冷剂循环，将存在于环境中的热能（如空气、水或大地中的热能），转移到建筑物中。比如，空气源热泵通过风扇吸入外部空气，由此向热泵提供环境热量。在热泵中，外部空气温度导致制冷介质蒸发变为气态。然后，压缩机对这些气体进行压缩，使得气体（制冷介质）温度升高。再在冷凝器中将高温制冷剂气体冷凝，释放出热量。在待供热建筑物中，循环水用作加热介质。这些水吸收冷凝器中的制冷剂释放出的热量，并将热量传导至分配系统，用于供热或储存热水。

国际能源署指出，在各国政府全面实现能源和气候承诺的情况下，热泵日益成为全球主要的供暖和热水脱碳途径。国际能源署估算，到2030年，热泵有可能使全球二氧化碳（CO2）排放量减少至少5亿吨，这相当于如今欧洲所有汽车一年的二氧化碳排放量。让数字来说话：在欧盟，其最大的市场是法国、意大利和德国，热泵销售额同比增长约35%，超过220万套。在全球范围内，2021年热泵销售量增加了13%以上。据国际能源署提出的到2050年实现净零排放设想，到2030年，全球热泵装机数量将增至约6亿套。

空调：智能节能

过去7年是有记录以来最热的7年。无怪乎人们对室内制冷的需求迅猛增长。2021年，制冷消耗的电力占建筑物最终耗电量的近16%（~ 2 0000亿度电）。这隐含着巨大的节能潜力，国际能源署署长Fatih Birol表示：“空调需求与日俱增是当前能源辩论中最关键的盲点之一。”更高能效标准可以减少对新建电厂的需求，从而减少排放并降低成本。

特别是智能空调系统可以充分利用这些优势，通过有的放矢进行制冷来降低能耗并提高舒适度。为了根据实际需求来调节性能，这些设备能够“看见”、“听见”和“感觉”周围环境。传感器和控制器能够识别出房间内人员的数量和位置。利用这些信息，空调会改变风扇转速和摆动范围。智能系统还可以测量温度、二氧化碳浓度和空气质量，以便决定何时注入新鲜凉爽的空气，为实现大幅节能做出贡献。

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这是一项无形的，但至关重要的任务。充电器负责用“正确”的电流和电压为智能手机、平板电脑和其他设备供电。这意味着它要将交流电转换为直流电，并将230V（美国为110V）初始电压转换为设备可以使用的低电压，如5V。否则，就无法对设备进行充电，甚至可能损坏设备。然而，在这个转换过程中，会发生能量损耗。我们可以感觉到损耗的存在：充电器会变热，甚至变烫，这取决于电子系统的组件和质量。

设备内部先进的微电子技术可以显著减少这种废热。在这方面，半导体技术氮化镓（GaN）的特性极为适合：这些晶体管元件能够在电压转换器中实现更高开关频率，同时保持很低损耗。简而言之：GaN 半导体可以帮助设备实现非同凡响的节能效果。

减少热量的产生很重要，与此同时，也需要功能强大而又便捷的设备。氮化镓也可以应对这一挑战，可以在不降低性能的情况下缩小设备尺寸。反过来，原样大小的充电器，可以在不影响充电时间的情况下对更多设备进行充电。从技术上讲，GaN 半导体能够实现更高“功率密度”。因此，英飞凌的 GaN 技术有助于实现多种不同的环境效益：节省材料和资源，降低运输工作量，以及减少电子垃圾。

欧盟的一项重要的新规定将于2024年12月生效：智能手机、平板电脑和头戴式耳机必须配备 USB-C 端口，这主要是出于可持续发展的原因。之后，其他类型的设备也将跟进。在不久的将来，仅需一个标准连接器即可向各种电子设备供电：这也意味着大大减少充电器数量，从而减少电子垃圾。英飞凌提供的半导体，包括 GaN 功率级和晶体管，正在推动这项新技术：它们可助力实现高效快速充电。

冰箱——节能电机带来愉悦的静音享受

冰箱持续工作发出的声音已经是过去的事。以前的电机只能简单地开启或关闭，或者保持全天运行，这导致了巨大的能耗和噪音。现代冰箱实现了智能联网，冰箱电机由功率芯片、传感器和微控制器等控制（换句话说：“采用了变频技术”）。这些组件给电机带来了令人愉快的变化，电机运行更安静、更节能，电机尺寸也变得更小。采用变频技术的设备可以仅根据实际需要来消耗电力。这比一整天频繁开关电机要节能得多。

原理很简单：通过不断收集温度、湿度和电机转速等数据，传感器可以帮助家用电器更高效地运行。根据这些数据，微型计算机或微控制器可以计算出必要的控制指令，以降低冰箱能耗。功率芯片执行这些指令，以使电机达到最优转速，并使冰箱保持恒温。这样一来，就可以根据当前需求来调节制冷，因为电机转速是根据负荷来调节的。

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你知道吗，预计到2025年，全球智能家庭数量将达到5亿户？联网设备，如智能冰箱或空调，在给我们的生活带来便利的同时，也增加了能耗。面对气候挑战，我们需要找到富有智慧的方法来限制总能耗，特别是智能功能的能耗。这正是传感器的用武之地。有了它们，联网设备就可以直观地了解周围环境并相应地作出响应。我们称之为“情境感知”。这种能力不仅为智能家庭带来安全和便利，而且可以实现节能。传感器确保设备不是一直都开着，而是只在需要时才运行，其益处巨大：减少二氧化碳排放，延长设备使用寿命，降低成本。单击右侧，探索三个传感器示例及其实际影响：

大家都认同，在大多数情况下，当家中无人时，或者当没有人在房间里或在电器附近时，电力消耗是不必要的。相反，当有人进入房间或在附近时，设备自动开启，如空调开始运行、灯点亮、音乐响起等，则会让人感到非常便利。能耗应当源自实际需求和房间占用情况。我们如何做到这一点？XENSIV™ 雷达传感器凭借其高灵敏度，能够检测到房间里的人员往来，从而相应地开启设备或将之切换至深度睡眠模式。这样一来，雷达传感器不仅有助于提升舒适度和用户体验（如：人到哪儿音乐就在哪儿响起），还可以优化许多智能家居应用的能耗。

你知道最新的电视技术创新吗？其中之一无疑是三星画壁电视。不用作电视机时，它的屏幕将展示艺术品，而不是“一片黑色”。2021型号采用了英飞凌 XENSIV™ 毫米波雷达传感器。这款传感器可以检测到房间里是否有人，当房间内空无一人达到一定时长后，就会关闭艺术品模式。这不仅能延长 OLED 的使用寿命，还可以节约用电。

新冠肺炎疫情期间，对空气质量进行高效监测，变得尤为重要。除了有益身心健康之外，专业的空气质量控制还有助于降低能耗。通过统计在场人数和测定二氧化碳浓度，传感器可用于控制智能通风系统。根据测定结果，传感器可以计算出房间里需要的新鲜空气量并按需提供。在合适的时间开窗和关窗，也可以取得相同的效果，但这会削弱采暖和制冷效果。你知道吗？欧盟的建筑物和工业能耗中，有50%与采暖和制冷有关。其节能潜力十分巨大。譬如，配备 XENSIV™ PAS CO2传感器的通风系统的节能潜力高达55%。结合智能温控器和楼宇自控系统，其影响更为显著。

许多智能设备（如门铃、摄像机、智能音箱等）都使用麦克风来记录声音、接收命令或输入，以及进行通信。大多数时候，这些设备处于待机状态，直到特定输入“唤醒它们”。正因为如此，内置 XENSIV™ MEMS 麦克风具有两种模式：在正常模式下，麦克风可提供最佳声学性能，支持清晰的音频输入。在低功耗模式下，麦克风能耗大幅降低，同时仍能“聆听”——主要接收“Alexa”或“Siri”等唤醒词，或开门声等触发音。一旦检测到此类输入，麦克风就会切换至正常模式，以实现最优音频拾取效果。智能音箱配有4个以上麦克风，并且有多达90%的时间是处于低功耗模式，这意味着其节能潜力十分巨大。

在理想的世界里，建筑物中的电气设备将无故障运行，并以最高效的方式消耗能源。当然，实际情况并非总是如此。传感器集成在系统的关键组件中，可以监测 HVAC 或照明等设备的状态。其采集的数据可能偏离正常值，这表明设备性能和效率有所降低。这样导致的结果是：昂贵的停工时间和较高能耗。随着设备老化及功能退化，其运行再也达不到最优性能，而这种情况可以被各种传感器检测出来。譬如，在 HVAC 系统中，DPS368气压传感器，可以检测到过滤器堵塞所导致的气流减少；TLI4971磁性电流传感器，可以指示电机故障；IM69D130麦克风，可以检测到压缩机异响。除实现状态监测之外，传感器还支持更进一步的应用：预测性维护。

智能触觉、智能嗅觉、智能听觉和智能视觉：从这些人类感官获得灵感，英飞凌传感器能够解读其周围环境，包括隐含的意图和情境。具备内置传感器的设备似乎能直观地理解人们想要它们做什么。正因如此，我们称这种智能技术为“直观感知”。传感器将现实世界和数字世界连接起来，让我们的生活不仅更便捷、更安全，而且更环保。