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“電”在電子工程的世界中理所當然是不可或缺的關(guān)鍵要素，而如何在設計各種電子產(chǎn)品時(shí)將電源做最有效的運用，好讓系統運作能符合節能省電環(huán)保需求，或是更進(jìn)一步延長(cháng)便攜設備電池續航力，成為電子工程師們的首要任務(wù)。
為此，由臺灣版電子工程專(zhuān)輯(EE Times Taiwan)與電子技術(shù)設計(EDN Taiwan)主辦的年度TechTaipei系列“新時(shí)代電源管理設計與功率組件技術(shù)”研討會(huì )，邀請到了業(yè)界專(zhuān)家從馬達控制、系統功耗量測、行動(dòng)設備電源系統設計、離散功率組件、變壓器設計等等角度探討最新技術(shù)趨勢，并分享了最新的電源模塊、散熱材料與電源管理芯片(PMIC)等等相關(guān)解決方案。
馬達(motor)在我們的日常生活可見(jiàn)的各種電子設備中幾乎無(wú)所不在，意法半導體(ST)技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理林進(jìn)裕表示，從小/中功率的電子玩具、可攜式小家電/POS機，還有無(wú)人機、保全攝影機、噴墨/3D打印機…到大功率的生產(chǎn)在線(xiàn)機器人、工廠(chǎng)自動(dòng)化設備等等系統內部都有馬達設備，良好的馬達控制對于系統的順暢運作與節能省電至關(guān)重要，而不同種類(lèi)的馬達對控制方案的需求也各有不同。
林進(jìn)裕指出，常用的馬達主要分為直流(DC)馬達、步進(jìn)(Stepper)馬達與無(wú)刷直流(Brushless DC，BLDC)馬達。其中BLDC馬達因為高可靠度、節能等特性已經(jīng)成為主流技術(shù)，歐盟也將規定消費性電子如吸塵器、空氣清凈機家電等需要采用這類(lèi)馬達；而步進(jìn)馬達則強調穩定性與精準度，適用于如噴墨打印機、無(wú)人機等需要有穩定的成像、攝影效果的設備；DC馬達最單純，只有反轉/正轉兩種模式，預期會(huì )逐漸被BLDC馬達取代。
BLDC馬達與步進(jìn)馬達需要不同的拓樸來(lái)支持不同轉速與運轉模式，而控制馬達的運轉就是一門(mén)學(xué)問(wèn)，除了硬件技術(shù)也會(huì )需要以軟件輔助；有鑒于大多數系統業(yè)者都會(huì )需要精簡(jiǎn)化的設計以縮小電路板占位面積，因此馬達控制方案的高整合度也是必備條件。以ST的馬達控制方案為例，結合微控制器(MCU)、電氣隔離(galvanic isolation)、馬達控制單元以及功率晶體管(MOSFET)等組件，策略是“不能SoC就SiP”，除了滿(mǎn)足外觀(guān)尺寸較小的終端設備需求，也能將支持的應用功率范圍擴大，并能因此為客戶(hù)節省原本在PCB設計上需要做的流程，也降低BOM成本。
要確保產(chǎn)品電源設計符合能效要求，或是改善現有設計以更進(jìn)一步提升電源效率、延長(cháng)續航力，是許多電子系統設計工程師正面臨的挑戰，特別是采用電池供電的設備；是德科技(Keysight)資深應用經(jīng)理林昭彥表示，當物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時(shí)代來(lái)臨，電池供電設備被預期的待機時(shí)間已經(jīng)從幾個(gè)小時(shí)，延長(cháng)到幾天、幾周甚至是幾個(gè)月，為了解決使用者“電量不足的焦慮”，工程師得從系統本身的低功耗以及電池容量?jì)煞矫嬷?zhù)手。
林昭彥指出，要達到系統運作的低功耗要靠關(guān)鍵模塊/組件性能，以及硬件與軟件功能之間的良好平衡；至于電池方面，由于電池技術(shù)本身演進(jìn)速度相對較緩慢，期望電池容量能在短時(shí)間內有很大的突破并不切實(shí)際，因此借重優(yōu)異的電池管理技術(shù)延長(cháng)電池壽命(同時(shí)確保其安全性)，以及能更方便補充電池電量的方法—例如快速/無(wú)線(xiàn)充電，是設計工程師們正在努力的方向。
若能精準掌握系統耗電與電池放電特性，就能找出問(wèn)題所在并進(jìn)行電源設計優(yōu)化。在系統耗電量測方面，具備能支持不同類(lèi)型設備量測彈性的電源分析儀會(huì )是關(guān)鍵工具；林昭彥舉例指出，智能終端、IoT設備與AI設備、無(wú)線(xiàn)VR設備等，因為耗電模式變化范圍大、動(dòng)態(tài)脈沖電流持續時(shí)間短，需要采樣速度快并能長(cháng)時(shí)間量測；物聯(lián)網(wǎng)通訊NB-IoT技術(shù)耗電則與訊號質(zhì)量相關(guān)，會(huì )需要與基地臺仿真器聯(lián)機量測；還有智能手表的功耗量測需要在不同運作模式之下、并開(kāi)啟不同功能；無(wú)人機的耗電量測則是需記錄從開(kāi)機、連網(wǎng)、起飛到降落的整個(gè)耗電歷程。
要進(jìn)一步分析系統內各部位的耗電細節，則有電流波形分析儀可以幫上忙，將系統的功能區塊分解，并利用探棒將焦點(diǎn)集中在最想了解的模塊上，以達到精確的分析結果。在電池量測部分，如何在短時(shí)間準確量測長(cháng)時(shí)間的電池工作壽命會(huì )是最大挑戰，但這又是不易更換電池的IoT設備最需要的；對此林昭彥表示，新一代的電源分析儀能替代IoT模塊對電池進(jìn)行放電，并在一天之內完成需要預測十年運作時(shí)間的電池續航力評估，準確掌握電池的自放電特性，為IoT設備業(yè)者大幅節省產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間、提升效益。
包括運動(dòng)健身手環(huán)、智能手表，還有智能眼鏡、VR游戲頭盔等等可穿戴設備，隨著(zhù)多家品牌業(yè)者陸續在市場(chǎng)推出成功獲得消費者青睞的產(chǎn)品，以及擴增/虛擬現實(shí)(AR/VR)技術(shù)的逐漸成熟，正持續擴張其市場(chǎng)版圖。而穿戴設備的電源設計要求，與一般便攜設備又有些許差異。
羅姆半導體(ROHM)臺灣設計中心所長(cháng)林志升表示，可穿戴設備的設計正朝著(zhù)佩帶舒適、美觀(guān)外形設計、更長(cháng)時(shí)間的電池壽命、多樣化功能，還有流暢的控制接口——以AR/VR設備來(lái)說(shuō)則是需要支持具臨場(chǎng)感的沉浸式體驗——等方向發(fā)展，因此對于組件的需求重點(diǎn)在于小型化、節能，還要具備精確的心率、血壓量測與虹膜辨識等生物感測功能；此外可穿戴設備的電池設計也會(huì )是一大挑戰，不僅需要比傳統的鈕扣電池尺寸更小，對于安全性與續航力的要求也更高。
為迎合可穿戴設備設計需求，ROHM除了有要求微型化的RASMID系列電阻與二極管組件，亦有要求低功耗的Nano系列電源IC。林志升指出，為達到低功耗目標的高阻值設計挑戰在于會(huì )有泄漏電流、噪聲敏感度與反應速度方面的問(wèn)題；而希望反應速度越快，耗電量就會(huì )越高，需要在各種條件上折衷考慮并提供穩定的控制技術(shù)。ROHM的成功設計案例是與日本神戶(hù)大學(xué)合作完成耗電量低于30μA的生物感測模塊，只需要使用標準CR2032鈕扣電池就能連續運作2周，這類(lèi)模塊可制作貼片型的醫療保健監測設備，讓用戶(hù)幾乎感覺(jué)不到其存在。
除了“節流”，可穿戴設備的“開(kāi)源”設計也很重要，例如以高效率無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)讓可穿戴設備在短時(shí)間內補充電力，或是利用能量采集技術(shù)達到免換電池的目標；在這方面ROHM能提供支持Qi標準的無(wú)線(xiàn)充電解決方案，亦有結合能量采集(壓電、太陽(yáng)能…)與超低功耗傳感器、無(wú)線(xiàn)通信方案(EnOcean)的物聯(lián)網(wǎng)平臺，為各種應用環(huán)境擺脫線(xiàn)路羈絆。
隨著(zhù)USB Type-C接口規格逐漸普及，包括手機、平板電腦與筆記本電腦等在內的便攜設備充電器“大一統”時(shí)代逐漸成形；而最新版的USB PD (Power Delivery) 3.0標準，因為加入了對可編程電源(PPS)技術(shù)的支持，不但有機會(huì )將目前市面上呈現多頭馬車(chē)的快充標準收歸一體，也能對總線(xiàn)電壓和電流進(jìn)行精確調節，而實(shí)現更快速、安全又能維持電池“健康”的充電。
Power Integrations (PI)高階營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理李子俊表示，以智能手機電源為例，在充電時(shí)產(chǎn)生的溫度上升很容易對電池造成損耗、使其壽命縮短；而納入PD 3.0規格的手機充電變壓器設計，能藉由電壓(V)/電流(I)控制來(lái)管理手機電源，實(shí)現“冷”充電，解決發(fā)熱帶來(lái)的電池損耗問(wèn)題。PI針對變壓器應用推出的InnoSwitch3-Pro系列開(kāi)關(guān)電源IC，采用可變頻率返馳式架構，支持同步整流、準諧振(QR)與連續/不連續導通(CCM/DCM)運作模式，具備精簡(jiǎn)化優(yōu)勢，能提供低功率、高可靠性的手機/便攜設備變壓器設計解決方案。
李子俊指出，InnoSwitch3-Pro的設計整合一次側和二次側控制，支持以I2C接口數字控制輸出電壓與電流，已通過(guò)安規認證；而該組件能實(shí)現精簡(jiǎn)化電路設計，能達到降低成本的效果。采用該芯片的多項設計也已經(jīng)成功通過(guò)USB PD+PDD的兼容性測試，將為各種便攜設備帶來(lái)更快速、安全的充電解決方案。
以電池供電的小功率便攜設備因為產(chǎn)品的多元化而對電源設計有五花八門(mén)的需求，而隨著(zhù)市場(chǎng)對節能環(huán)保議題的重視以及各種新應用的誕生，大功率電源架構也出現變化，包括輸出范圍越來(lái)越廣、功率越來(lái)越高，以及對高效率、高功率密度、小體積與輕量化電源系統的需求。
Vicor現場(chǎng)應用工程師張仁程表示，市場(chǎng)對電源技術(shù)的要求越來(lái)越高，包括在功能與性能方面的表現，例如更有效的散熱設計、遠程遙控等等，「功能越多越好」成為常見(jiàn)的客戶(hù)需求；還有電源系統的輕量化在以往并不那么被注重，現在則有更多客戶(hù)對功率重量比(power to weight)有所要求。而他指出，數據中心與汽車(chē)內的電源架構正從12V逐漸轉向48V，就能在許多方面提供優(yōu)勢，包括更高效益、節能與電源輕量化等等。
為因應多樣化的應用需求，Vicor開(kāi)發(fā)了創(chuàng )新的電源模塊架構克服諸多挑戰，例如針對支持AI、機器學(xué)習的高性能運算數據中心，利用合封電源(Power on Package)技術(shù)消除“最后一吋”(the last inch)的功率損耗，還有小體積、高功率密度的數據中心專(zhuān)用AC-DC/HVDC-DC方案，以及針對接近處理器的電源應用實(shí)現低噪聲、低高度電源設計的SAC拓撲架構。在散熱設計方面，則有轉換器級封裝(ChiP)、具備雙面散熱外殼的VIA等創(chuàng )新技術(shù)；此外其三相AC前端電源模塊與高整合度的前端負載點(diǎn)(POL)方案，都能為現代數據中心提升電源系統可靠度與功率密度。
除了以低功耗組件、高效率電源系統為電子設備提供節能、穩定的電力，搭配電源系統的高效率導熱方案也是讓電子終端系統能順暢、安全運作的關(guān)鍵要素。例如2004年成立、來(lái)自深圳的傲川科技，就鎖定包括電動(dòng)車(chē)車(chē)載電源、充電樁，以及工業(yè)電源、不斷電系統(UPS)等應用，推出包括導熱凝膠、導熱墊片、絕緣片、硅脂、導熱泥等各種型態(tài)的導熱產(chǎn)品。
傲川科技聯(lián)合創(chuàng )始人暨銷(xiāo)售總監周暉表示，以往導熱材料廠(chǎng)商都是以銷(xiāo)售現成產(chǎn)品為主，但今日的終端產(chǎn)品對于導熱材料的安全規格、耐受性等條件有更高的要求，再加上產(chǎn)品外觀(guān)小型化需要節省系統內部空間，就會(huì )衍生客制化的創(chuàng )新解決方案。舉例來(lái)說(shuō)，手機導熱材料原本已采用硅脂為主，但若涂層太厚會(huì )出現硅油滲出的現象、影響產(chǎn)品功能，導熱泥就應運而生。在一些應用中，導熱墊片也會(huì )有芯片無(wú)法承受的壓力問(wèn)題，因此導熱凝膠就成為替代方案。
有鑒于采用電池動(dòng)力的新能源汽車(chē)在中國市場(chǎng)越來(lái)越普及，對車(chē)載電源系統的散熱需求也不斷成長(cháng)，傲川與中國多家新能源汽車(chē)業(yè)者合作，針對不同部位的電源設備提供多樣化、可靠的導熱解決方案，能保護車(chē)載電池的安全，甚至能因此提高電動(dòng)車(chē)的能源效率、延長(cháng)行駛里程數。周暉表示，該公司十分注重與客戶(hù)的交流與溝通，能協(xié)助客戶(hù)因應產(chǎn)業(yè)規格與標準的變化， 以節省成本并符合規范。
為將電源供應器的變壓器進(jìn)一步縮小，總部位于臺灣、在美國擁有研發(fā)團隊的AC-DC模擬電源IC芯片設計業(yè)者虹冠電子(Champion)，特別邀請研發(fā)長(cháng)黃新年從硅谷返臺親自介紹該公司即將推出的“共振反馳式架構”Dr. Flyback電源轉換器解決方案，此架構號稱(chēng)因為能在高壓側與低壓側的功率MOSFET實(shí)現零電壓切換(ZVS)，只需兩顆MOSFET、一個(gè)小型電容、一個(gè)電感，簡(jiǎn)化的架構自然能讓變壓器尺寸更小。
黃新年表示，Dr. Flyback是“純諧振”架構，與市面上的準諧振(QR)反馳式轉換器架構，以及主動(dòng)箝位返馳式(Active Clamp Flyback，ACF)架構轉換器并不相同；Dr. Flyback是閉回路(close loop)，ACF架構則是開(kāi)回路(open loop)，在高壓側會(huì )需要用到氮化鎵(GaN) MOSFT，但Dr. Flyback只需應用超接面制程高壓MOSFET，兩者一個(gè)像是“瘦子”，一個(gè)像是“胖子”，在成本與效率上顯而易見(jiàn)(參考圖1)。Dr. Flyback與能進(jìn)一步提升效率的Dr. SR、Dr. Bridge組件，預期在正式問(wèn)世之后，能催生更小巧、更具效益的電源系統變壓器。
圖1 Dr. Flyback與ACF轉換器架構比較。
若說(shuō)電源管理IC是在系統中節省功耗、提升效率的“主將”，包括MOSFET、IGBT、二極管以及電阻、電容、電感等等離散式功率組件，則是這場(chǎng)戰斗中不可缺少的“小兵”；而針對不同的“戰場(chǎng)”需求，各家功率組件供應商在“小兵”產(chǎn)品上的策略，就是提供多樣化的選擇，并要求高質(zhì)量的生產(chǎn)。
例如Vishay就具備多樣化的電容、電感與電阻產(chǎn)品陣容，以及低電壓功率MOSFET、高整合度整流器IC等一系列電源組件；該公司應用工程師林軍筑表示，Vishay有超過(guò)六成營(yíng)收來(lái)自于對組件要求更嚴苛的車(chē)用與工業(yè)市場(chǎng)，在其他廣泛應用領(lǐng)域也都有所著(zhù)墨，能為客戶(hù)滿(mǎn)足不同電源系統設計上的需求。
而ST同樣在離散式功率組件方面，也能提供多樣化的工業(yè)與車(chē)用高規格解決方案；該公司大中華暨南亞區功率組件技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理陳文聰表示，前面介紹過(guò)的ST馬達驅動(dòng)方案雖然以小功率為主，但在離散組件部分則從小功率到高功率系統都有相對應 的解決方案。高壓制程的改善、組件可靠度的提升，都是離散功率組件的發(fā)展重點(diǎn)，而這些“小兵”的共同目標，就是為電子產(chǎn)品的高效率運作與節約能源貢獻一己之力。
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