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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(shè)計各種電子產(chǎn)品時將電源做最有效的運用，好讓系統(tǒng)運作能符合節(jié)能省電環(huán)保需求，或是更進一步延長便攜設(shè)備電池續(xù)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輯(EE Times Taiwan)與電子技術(shù)設(shè)計(EDN Taiwan)主辦的年度TechTaipei系列“新時代電源管理設(shè)計與功率組件技術(shù)”研討會，邀請到了業(yè)界專家從馬達控制、系統(tǒng)功耗量測、行動設(shè)備電源系統(tǒng)設(shè)計、離散功率組件、變壓器設(shè)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的各種電子設(shè)備中幾乎無所不在，意法半導(dǎo)體(ST)技術(shù)營銷經(jīng)理林進裕表示，從小/中功率的電子玩具、可攜式小家電/POS機，還有無人機、保全攝影機、噴墨/3D打印機…到大功率的生產(chǎn)在線機器人、工廠自動化設(shè)備等等系統(tǒng)內(nèi)部都有馬達設(shè)備，良好的馬達控制對于系統(tǒng)的順暢運作與節(jié)能省電至關(guān)重要，而不同種類的馬達對控制方案的需求也各有不同。
林進裕指出，常用的馬達主要分為直流(DC)馬達、步進(Stepper)馬達與無刷直流(Brushless DC，BLDC)馬達。其中BLDC馬達因為高可靠度、節(jié)能等特性已經(jīng)成為主流技術(shù)，歐盟也將規(guī)定消費性電子如吸塵器、空氣清凈機家電等需要采用這類馬達；而步進馬達則強調(diào)穩(wěn)定性與精準度，適用于如噴墨打印機、無人機等需要有穩(wěn)定的成像、攝影效果的設(shè)備；DC馬達最單純，只有反轉(zhuǎn)/正轉(zhuǎn)兩種模式，預(yù)期會逐漸被BLDC馬達取代。
BLDC馬達與步進馬達需要不同的拓樸來支持不同轉(zhuǎn)速與運轉(zhuǎn)模式，而控制馬達的運轉(zhuǎn)就是一門學問，除了硬件技術(shù)也會需要以軟件輔助；有鑒于大多數(shù)系統(tǒng)業(yè)者都會需要精簡化的設(shè)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(jié)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”，除了滿足外觀尺寸較小的終端設(shè)備需求，也能將支持的應(yīng)用功率范圍擴大，并能因此為客戶節(jié)省原本在PCB設(shè)計上需要做的流程，也降低BOM成本。
要確保產(chǎn)品電源設(shè)計符合能效要求，或是改善現(xiàn)有設(shè)計以更進一步提升電源效率、延長續(xù)航力，是許多電子系統(tǒng)設(shè)計工程師正面臨的挑戰(zhàn)，特別是采用電池供電的設(shè)備；是德科技(Keysight)資深應(yīng)用經(jīng)理林昭彥表示，當物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時代來臨，電池供電設(shè)備被預(yù)期的待機時間已經(jīng)從幾個小時，延長到幾天、幾周甚至是幾個月，為了解決使用者“電量不足的焦慮”，工程師得從系統(tǒng)本身的低功耗以及電池容量兩方面著手。
林昭彥指出，要達到系統(tǒng)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)本身演進速度相對較緩慢，期望電池容量能在短時間內(nèi)有很大的突破并不切實際，因此借重優(yōu)異的電池管理技術(shù)延長電池壽命(同時確保其安全性)，以及能更方便補充電池電量的方法—例如快速/無線充電，是設(shè)計工程師們正在努力的方向。
若能精準掌握系統(tǒng)耗電與電池放電特性，就能找出問題所在并進行電源設(shè)計優(yōu)化。在系統(tǒng)耗電量測方面，具備能支持不同類型設(shè)備量測彈性的電源分析儀會是關(guān)鍵工具；林昭彥舉例指出，智能終端、IoT設(shè)備與AI設(shè)備、無線VR設(shè)備等，因為耗電模式變化范圍大、動態(tài)脈沖電流持續(xù)時間短，需要采樣速度快并能長時間量測；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、并開啟不同功能；無人機的耗電量測則是需記錄從開機、連網(wǎng)、起飛到降落的整個耗電歷程。
要進一步分析系統(tǒng)內(nèi)各部位的耗電細節(jié)，則有電流波形分析儀可以幫上忙，將系統(tǒng)的功能區(qū)塊分解，并利用探棒將焦點集中在最想了解的模塊上，以達到精確的分析結(jié)果。在電池量測部分，如何在短時間準確量測長時間的電池工作壽命會是最大挑戰(zhàn)，但這又是不易更換電池的IoT設(shè)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模塊對電池進行放電，并在一天之內(nèi)完成需要預(yù)測十年運作時間的電池續(xù)航力評估，準確掌握電池的自放電特性，為IoT設(shè)備業(yè)者大幅節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)時間、提升效益。
包括運動健身手環(huán)、智能手表，還有智能眼鏡、VR游戲頭盔等等可穿戴設(shè)備，隨著多家品牌業(yè)者陸續(xù)在市場推出成功獲得消費者青睞的產(chǎn)品，以及擴增/虛擬現(xiàn)實(AR/VR)技術(shù)的逐漸成熟，正持續(xù)擴張其市場版圖。而穿戴設(shè)備的電源設(shè)計要求，與一般便攜設(shè)備又有些許差異。
羅姆半導(dǎo)體(ROHM)臺灣設(shè)計中心所長林志升表示，可穿戴設(shè)備的設(shè)計正朝著佩帶舒適、美觀外形設(shè)計、更長時間的電池壽命、多樣化功能，還有流暢的控制接口——以AR/VR設(shè)備來說則是需要支持具臨場感的沉浸式體驗——等方向發(fā)展，因此對于組件的需求重點在于小型化、節(jié)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(shè)備的電池設(shè)計也會是一大挑戰(zhàn)，不僅需要比傳統(tǒng)的鈕扣電池尺寸更小，對于安全性與續(xù)航力的要求也更高。
為迎合可穿戴設(shè)備設(shè)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(shè)計挑戰(zhàn)在于會有泄漏電流、噪聲敏感度與反應(yīng)速度方面的問題；而希望反應(yīng)速度越快，耗電量就會越高，需要在各種條件上折衷考慮并提供穩(wěn)定的控制技術(shù)。ROHM的成功設(shè)計案例是與日本神戶大學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(xù)運作2周，這類模塊可制作貼片型的醫(yī)療保健監(jiān)測設(shè)備，讓用戶幾乎感覺不到其存在。
除了“節(jié)流”，可穿戴設(shè)備的“開源”設(shè)計也很重要，例如以高效率無線充電技術(shù)讓可穿戴設(shè)備在短時間內(nèi)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標準的無線充電解決方案，亦有結(jié)合能量采集(壓電、太陽能…)與超低功耗傳感器、無線通信方案(EnOcean)的物聯(lián)網(wǎng)平臺，為各種應(yīng)用環(huán)境擺脫線路羈絆。
隨著USB Type-C接口規(guī)格逐漸普及，包括手機、平板電腦與筆記本電腦等在內(nèi)的便攜設(shè)備充電器“大一統(tǒng)”時代逐漸成形；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，不但有機會將目前市面上呈現(xiàn)多頭馬車的快充標準收歸一體，也能對總線電壓和電流進行精確調(diào)節(jié)，而實現(xiàn)更快速、安全又能維持電池“健康”的充電。
Power Integrations (PI)高階營銷經(jīng)理李子俊表示，以智能手機電源為例，在充電時產(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(guī)格的手機充電變壓器設(shè)計，能藉由電壓(V)/電流(I)控制來管理手機電源，實現(xiàn)“冷”充電，解決發(fā)熱帶來的電池損耗問題。PI針對變壓器應(yīng)用推出的InnoSwitch3-Pro系列開關(guān)電源IC，采用可變頻率返馳式架構(gòu)，支持同步整流、準諧振(QR)與連續(xù)/不連續(xù)導(dǎo)通(CCM/DCM)運作模式，具備精簡化優(yōu)勢，能提供低功率、高可靠性的手機/便攜設(shè)備變壓器設(shè)計解決方案。
李子俊指出，InnoSwitch3-Pro的設(shè)計整合一次側(cè)和二次側(cè)控制，支持以I2C接口數(shù)字控制輸出電壓與電流，已通過安規(guī)認證；而該組件能實現(xiàn)精簡化電路設(shè)計，能達到降低成本的效果。采用該芯片的多項設(shè)計也已經(jīng)成功通過USB PD+PDD的兼容性測試，將為各種便攜設(shè)備帶來更快速、安全的充電解決方案。
以電池供電的小功率便攜設(shè)備因為產(chǎn)品的多元化而對電源設(shè)計有五花八門的需求，而隨著市場對節(jié)能環(huán)保議題的重視以及各種新應(yīng)用的誕生，大功率電源架構(gòu)也出現(xiàn)變化，包括輸出范圍越來越廣、功率越來越高，以及對高效率、高功率密度、小體積與輕量化電源系統(tǒng)的需求。
Vicor現(xiàn)場應(yīng)用工程師張仁程表示，市場對電源技術(shù)的要求越來越高，包括在功能與性能方面的表現(xiàn)，例如更有效的散熱設(shè)計、遠程遙控等等，「功能越多越好」成為常見的客戶需求；還有電源系統(tǒng)的輕量化在以往并不那么被注重，現(xiàn)在則有更多客戶對功率重量比(power to weight)有所要求。而他指出，數(shù)據(jù)中心與汽車內(nèi)的電源架構(gòu)正從12V逐漸轉(zhuǎn)向48V，就能在許多方面提供優(yōu)勢，包括更高效益、節(jié)能與電源輕量化等等。
為因應(yīng)多樣化的應(yīng)用需求，Vicor開發(fā)了創(chuàng)新的電源模塊架構(gòu)克服諸多挑戰(zhàn)，例如針對支持AI、機器學習的高性能運算數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心專用AC-DC/HVDC-DC方案，以及針對接近處理器的電源應(yīng)用實現(xiàn)低噪聲、低高度電源設(shè)計的SAC拓撲架構(gòu)。在散熱設(shè)計方面，則有轉(zhuǎn)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(POL)方案，都能為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心提升電源系統(tǒng)可靠度與功率密度。
除了以低功耗組件、高效率電源系統(tǒng)為電子設(shè)備提供節(jié)能、穩(wěn)定的電力，搭配電源系統(tǒng)的高效率導(dǎo)熱方案也是讓電子終端系統(tǒng)能順暢、安全運作的關(guān)鍵要素。例如2004年成立、來自深圳的傲川科技，就鎖定包括電動車車載電源、充電樁，以及工業(yè)電源、不斷電系統(tǒng)(UPS)等應(yīng)用，推出包括導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱墊片、絕緣片、硅脂、導(dǎo)熱泥等各種型態(tài)的導(dǎo)熱產(chǎn)品。
傲川科技聯(lián)合創(chuàng)始人暨銷售總監(jiān)周暉表示，以往導(dǎo)熱材料廠商都是以銷售現(xiàn)成產(chǎn)品為主，但今日的終端產(chǎn)品對于導(dǎo)熱材料的安全規(guī)格、耐受性等條件有更高的要求，再加上產(chǎn)品外觀小型化需要節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)部空間，就會衍生客制化的創(chuàng)新解決方案。舉例來說，手機導(dǎo)熱材料原本已采用硅脂為主，但若涂層太厚會出現(xiàn)硅油滲出的現(xiàn)象、影響產(chǎn)品功能，導(dǎo)熱泥就應(yīng)運而生。在一些應(yīng)用中，導(dǎo)熱墊片也會有芯片無法承受的壓力問題，因此導(dǎo)熱凝膠就成為替代方案。
有鑒于采用電池動力的新能源汽車在中國市場越來越普及，對車載電源系統(tǒng)的散熱需求也不斷成長，傲川與中國多家新能源汽車業(yè)者合作，針對不同部位的電源設(shè)備提供多樣化、可靠的導(dǎo)熱解決方案，能保護車載電池的安全，甚至能因此提高電動車的能源效率、延長行駛里程數(shù)。周暉表示，該公司十分注重與客戶的交流與溝通，能協(xié)助客戶因應(yīng)產(chǎn)業(yè)規(guī)格與標準的變化， 以節(jié)省成本并符合規(guī)范。
為將電源供應(yīng)器的變壓器進一步縮小，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(shè)計業(yè)者虹冠電子(Champion)，特別邀請研發(fā)長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(gòu)”Dr. Flyback電源轉(zhuǎn)換器解決方案，此架構(gòu)號稱因為能在高壓側(cè)與低壓側(cè)的功率MOSFET實現(xiàn)零電壓切換(ZVS)，只需兩顆MOSFET、一個小型電容、一個電感，簡化的架構(gòu)自然能讓變壓器尺寸更小。
黃新年表示，Dr. Flyback是“純諧振”架構(gòu)，與市面上的準諧振(QR)反馳式轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，以及主動箝位返馳式(Active Clamp Flyback，ACF)架構(gòu)轉(zhuǎn)換器并不相同；Dr. Flyback是閉回路(close loop)，ACF架構(gòu)則是開回路(open loop)，在高壓側(cè)會需要用到氮化鎵(GaN) MOSFT，但Dr. Flyback只需應(yīng)用超接面制程高壓MOSFET，兩者一個像是“瘦子”，一個像是“胖子”，在成本與效率上顯而易見(參考圖1)。Dr. Flyback與能進一步提升效率的Dr. SR、Dr. Bridge組件，預(yù)期在正式問世之后，能催生更小巧、更具效益的電源系統(tǒng)變壓器。
圖1 Dr. Flyback與ACF轉(zhuǎn)換器架構(gòu)比較。
若說電源管理IC是在系統(tǒng)中節(jié)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，則是這場戰(zhàn)斗中不可缺少的“小兵”；而針對不同的“戰(zhàn)場”需求，各家功率組件供應(yīng)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(yīng)用工程師林軍筑表示，Vishay有超過六成營收來自于對組件要求更嚴苛的車用與工業(yè)市場，在其他廣泛應(yīng)用領(lǐng)域也都有所著墨，能為客戶滿足不同電源系統(tǒng)設(shè)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)與車用高規(guī)格解決方案；該公司大中華暨南亞區(qū)功率組件技術(shù)營銷經(jīng)理陳文聰表示，前面介紹過的ST馬達驅(qū)動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(tǒng)都有相對應(yīng) 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，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(jié)約能源貢獻一己之力。
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