帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
物聯網應用產品的電源設計困擾
面對不同供電源

【作者: 盧傑瑞】   2017年12月06日 星期三

瀏覽人次:【950】
  


對於智慧手錶等等的穿戴式產品以及物聯網設備,在電力部分達到低耗電目標、不需要經常進行煩人的充電動作、以及能夠確保在隨心所欲使用下有足夠的電源,是關係到產品被信任度及價值性的關鍵問題。


就目前來說,無論是振動、溫差、太陽能等等,利用自然現象的發電技術,雖然能夠及時補充所需的電力,但是由於期望穿戴式產品,或物聯網設備在重要時刻不會突然出現電力中斷而帶來致命性問題的話,電源管理設計相對地就會變得非常重要。


大多的電源電路、電子電路、充電電池以及家用的交流電電源等,都是以能夠提供穩定的電源輸出來提供所需電力為前提而進行各種技術的開發,由於像前述利用自然現象的發電技術,因為是在相當低的電壓下來取得非常不穩定的電力,因此相對應的電源技術就顯現出其必要。


新製程出現,矽電源半導體逐漸居於相對性的劣勢

就一般而言,AC-DC轉換器、DC-DC轉換器、逆變器等等,皆是由電源控制電路、電源元件(IGBT及電源MOSFET等)、閘極驅動(Gate Driver)、隔離器(isolator)等等所組成。但就目前其中的電源半導體來說,像是SiC(碳化矽)、GaN(氮化鎵)等等的新一代電源。


元件相當的備受注目。使用這些電源半導體的話,不僅僅能夠獲得更高的電源轉換效率之外,同時也能夠達到小型、輕量化的目的。


事實上,在工業用設備、車輛、綠色能源設備等等方面已經開始被應用,而達到電源的高效率化以及小型化。另一方面,也可以感受到現有矽電源半導體逐漸居於相對性的劣勢,但是就僅僅因為這樣,而一味的改用新一代電源元件的話,或許也不是非常的適當。在最近,特別是絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的出現相當顯著的改善,由於在內部結構的改善以及製程更趨向細微化之下,可以感受到已經達到電力浪費的降低,以及轉換效能有明顯提升的結果。



圖1 : 更高的效率追求下SiC(碳化矽)、GaN(氮化鎵)將成為新一代電源主流元件
圖1 : 更高的效率追求下SiC(碳化矽)、GaN(氮化鎵)將成為新一代電源主流元件

因此,藉由更先進的結構設計與製程技術,在提高IGBT等等的矽電源半導體之後,在為了更高的效率追求下,並非只能捨棄矽電源半導體元件而改採用SiC(碳化矽)、GaN(氮化鎵)等新一代電源元件。


利用數位可編程找出最佳電壓波形

此外,閘極驅動(Gate Driver)的部分,則是由放大器電路(Amplifier)以及電晶體開關(Switching transistor)等所組成。再由IGBT的閘極來接連閘極驅動的輸出,再透過驅動訊號來對IGBT的開或關進行控制,而在其中最為重要的就是驅動訊號的波形。


對於波形的穩定度來說,會直接的影響電源的轉換效率(電力耗損)以及噪訊是否過大。例如波形因為變換效率增強而出現急遽上升的話,電流波形將會出現瞬間過沖(Overshoot)使得噪訊增加。


因此在這個時候,一般而言,電源設計者就會在連接IGBT和閘極驅動之間的電路增加電阻,來調整轉換效率以及噪訊的權衡(trade-off),但是能夠調整參數只有為了阻抗值而已,很少數的情況下才有機會達到效率的調整。


從閘極驅動(Gate Driver)所輸出驅動訊號的波形如果能夠被數位可編程,這樣的話,就能夠隨意地設定波形的細緻度。


舉例來說,利用4個或8個Time Segment,針對每個Time Segment都提供獨立的64階可調設電壓。在最初的Time Segment突然間設定高電壓的話,就能達到快速攀升的驅動訊號,反之,在最初設定低電壓後,在Time Segment增加的電壓值則會緩慢上升。這樣的驅動訊號波形的設定彈性相當高,如果是4個Time Segment時,就能夠有64階乘上4個Time Segment,總共有1677萬個組合,就能夠在有限的人力資源下找到最佳的波形。



圖2 : 將輸出驅動訊號的波形利用數位可編程,就能隨意地設定波形的細緻度
圖2 : 將輸出驅動訊號的波形利用數位可編程,就能隨意地設定波形的細緻度

如何穩定的供應物聯網產品驅動電力所需

以目前的應用市場而言,能夠連上網路的設備或產品,每年銷售戶新型態產品都呈現急速的增加,另一方面,這類型產品的開發趨勢,也就愈來越小型化以及隨身化。就像是可攜式的醫療設備,包括了常見的測量用感測器、再演進到可埋入身體的心律調整器或人工內耳助聽器等,只要在身體上所放置的這類型產品具有無線功能,就能夠自動連接上網路。


但是,無論是穿戴式或是可埋入身體的這些產品具有聯網功能,而被稱之為物聯網產品都具有相同的一個研發課題,那就是如何穩定的供應產品所需要的驅動電力。


這些穿戴式產品在使用時的舒適感會直接影響購買的慾望,因此在外觀上,經常會被設計成輕薄短小,或是依賴加入更多的各類型感測器來達到人性化的目的。不過由於是這樣的目的,使得擔負電力供應的電池體積就會被侷限在一定的範圍之內,或者是被設計成使用者無法自行更換,因此就必須附加令人討厭的充電電源線,如果一旦無法有效進行電源消耗管理的話,勢必會讓使用者用一段時間後就必須進行充電的動作。


例如,可聯網的義肢等產品,如果是正在進行聯網動作無法中斷,而又出現電力不足時,這時就需要接上充電電源線,但是一般的電源線在使用上,例如長度或轉折的地方,都會對使用者造成一定程度的不舒適感。


低電壓將影響元件反應速度

因此,在長時間使用無法自行更換電池的物聯網終端時,半導體元件的低電壓化與低耗電化技術就顯得非常重要。特別是採用1V以下低電壓電源的半導體元件驅動技術,以及利用自然現象發電的產品。


以目前來說,1.2V電壓驅動的CMOS電路的電源電壓大多降到0.3V,雖然耗電的部分可以減少到1/1000,但反應速度也變慢了100倍。這樣一來,雖然能源的效率增加了10倍,但也影響了產品的效能。不過,由於低電壓的影響所造成反應速度變慢,在這一方面,或許可以考慮採用分時同工或多核心來作為彌補,達到低電壓化的基本結構。


當然,我們也知道,也不能單純一味地降低電壓,因為現階段的半導體晶片,除了邏輯電路之外,也持續的加入個元件電路,例如包括記憶體、AC-DC變壓器、無線電路等,基本上這些都能夠靠1V的供電電壓下,驅動所有的功能性電路區塊。不過,當驅動電壓降到了0.5V的時候,這時內建在晶片裡的各個功能性電路就會出現程度不一的變化,因此能夠提供滿足各種功能電路區塊的電壓,就成了一項不可或缺的考量和工作,這時面對各種電壓要求下,多電壓電源供應也就成了單晶片必要的能力之一。



圖3 : 提供滿足各種功能電路區塊的電壓,是未來研發時不可或缺的考量和工作
圖3 : 提供滿足各種功能電路區塊的電壓,是未來研發時不可或缺的考量和工作

例如,在單一晶片內需要10種不同電壓電源供應的話,或許就必須準備10種不同的外部電源,這對於使用者來說是相當不方便的,這也就促進了多電源電路的單晶片化和低耗電化的技術研發,就像英特爾的Core架構的第四代產品Haswell(開發代號),在其單晶片的內部就採用了13種不同電源電壓。


無線OnChip電源電路

採用自然現象發電技術,須考慮極度不穩地電壓輸入的條件

在面對技採用自然現象發電技術的物聯網產品時,在供電的電源電路方面,就必須考慮極度不穩地電壓輸入的條件,這時升壓電路就會變得非常重要。


例如,在面對利用體溫和室溫的溫差發電,或者是太陽能發電的產品上,發電輸出電壓大約是100mA左右或者更低,這時如果需要讓驅動電壓為1V的元件動作的話,就必須依賴強大的升壓電路。對於這樣的需求,市場上的功率晶片業者就提供了相對應的產品,例如可以支援20mV的升壓功率元件,但是在為了完成整體電源電路結構時,還必須考慮使用1對100的變壓器等外部附加的元件,來達到讓使用者不必擔心電力問題而隨心所欲的使用穿戴式等等的物聯網產品。



圖4 : 讓使用者不必擔心電力問題而隨心所欲的使用穿戴式產品,對電源設計來說是相當嚴峻的考驗。
圖4 : 讓使用者不必擔心電力問題而隨心所欲的使用穿戴式產品,對電源設計來說是相當嚴峻的考驗。

其實,對於供電電壓在100mV的情況下,在技術上是有一定的困難度。根據實際設計的經驗來說,在80mV進行升壓的狀況下,在升壓電路中是無法使用MOS電晶體來進行開關的動作,80mV的電壓是比MOS的動作門檻電壓還低很多,所以沒有辦法對閘極輸入ON的狀態,因此在晶片的內部,就必須對閘極電壓進行提升來達到讓閘極作動,這也是非常重要的。


這時就可以利用電荷幫浦轉換器(Charge pump),在接受80mV電壓的電荷幫浦轉換器,由於驅動力量還是非常低,因此會一點一滴地將電荷儲存起來,從0V到0.5V緩慢地升壓,當儲存到一定的能量之後,一口氣送出0.5V的電力,強迫進行開關(ON/OFF)的動作,此外如果更進一步的話,也可以在單晶片的變壓電路上去除電感元件。


微波輻射也會影響電力的變化

除了電壓的問題之外,在利用自然現象發電之下,要能穩定供應電源還有著各種的問題點需要克服,例如,採用RF無線充電時,所產生出來的微波輻射也會影響電力的變化,而這些的RF無線充電幾乎都是來自1GHz以上的高頻率電波。相同的利用RF無線充電所獲得的電壓也是相當低,這時,如何完善的對高頻低壓來進行升壓的技術也是非常的重要。另外,利用壓電元件震動發電時,也將會面臨30V的交流電壓,這時就需要考量如何有效控制高壓的交流電。


伴隨著物聯網產品功能性與充電能力不斷的增加,內部所採用的半導體元件也將會愈來愈複雜,彼此的分工也愈來愈細,這時就會面對在大量生產下,如何降低生產成本的困難課題,就像是採用不同的自然現象發電供應電源時,就必須匹配不同的電源處理單元與電路。


當然也可以使用相同的電源處理單元與電路情況下,透過調整輸入的特性設定能夠符合不同的供電來源,雖然解決了一個電路匹配不同供電源的成本問題,但是卻又會產生能否達到電源最佳化的目的。基於這樣的概念,事實上,也有專家進行相關的研究,但是最終都是以放棄作為收場,原因還是出在效率無法最佳化。


或許這樣同一電源電路匹配各種不同電源供應的理念目標,還是必須等待在未來功率元件業者開發出更聰明、更有效率的新產品出來。


**刊頭圖(source:GeoMarketing)


  相關新品
Platform Manager Devices
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:Power
Power Manager II Hercules Development Kit
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:Power
Processor PM Development Kit
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:Power
  相關新聞
» 全球百大科技研發獎出爐 工研院奪九大獎項
» 英飛凌發佈2017會計年度第四季營運成果
» 2018 ISSCC引領半導體技術趨勢 台論文獲選量居全球第三
» 瑞薩Synergy平台全力擴大關聯生態系統
» Xilinx RFSoC憑藉先進技術運用獲ARM TechCon創新獎
  相關產品
» 聯發科推出新款MediaTek Sensio智慧健康方案
» TDSC推出中壓、高容量、小型封裝的光繼電器
» Microchip USB智能型集線器IC具有獨特匯流排設計配置
» 凌力爾特推出新款雙通道軌對軌100V電源監視器
» 盛群新推出小封裝MCU--HT68F001
  相關資源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2017 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw