物聯(lián)網(wǎng)應用產(chǎn)品的電源設計困擾

　　對于智能手表等等的穿戴式產(chǎn)品以及物聯(lián)網(wǎng)設備，在電力部分達到低耗電目標、不需要經(jīng)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(guān)系到產(chǎn)品被信任度及價值性的關(guān)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(xiàn)象的發(fā)電技術(shù)，雖然能夠及時補充所需的電力，但是由于期望穿戴式產(chǎn)品，或物聯(lián)網(wǎng)設備在重要時刻不會突然出現(xiàn)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(wěn)定的電源輸出來提供所需電力為前提而進行各種技術(shù)的開發(fā)，由于像前述利用自然現(xiàn)象的發(fā)電技術(shù)，因為是在相當?shù)偷碾妷合聛砣〉梅浅２环€(wěn)定的電力，因此相對應的電源技術(shù)就顯現(xiàn)出其必要。

　　新制程出現(xiàn)，硅電源半導體逐漸居于相對性的劣勢

　　就一般而言，AC-DC轉(zhuǎn)換器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、逆變器等等，皆是由電源控制電路、電源組件(IGBT及電源MOSFET等)、閘極驅(qū)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(碳化硅)、GaN(氮化鎵)等等的新一代電源。

　　組件相當?shù)膫涫茏⒛?。使用這些電源半導體的話，不僅僅能夠獲得更高的電源轉(zhuǎn)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(yè)用設備、車輛、綠色能源設備等等方面已經(jīng)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(xiàn)有硅電源半導體逐漸居于相對性的劣勢，但是就僅僅因為這樣，而一味的改用新一代電源組件的話，或許也不是非常的適當。在最近，特別是絕緣閘雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)相當顯著的改善，由于在內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改善以及制程更趨向細微化之下，可以感受到已經(jīng)達到電力浪費的降低，以及轉(zhuǎn)換效能有明顯提升的結(jié)果。

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

　　因此，借助更先進的結(jié)構(gòu)設計與制程技術(shù)，在提高IGBT等等的硅電源半導體之后，在為了更高的效率追求下，并非只能舍棄硅電源半導體組件而改采用SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)等新一代電源組件。

　　利用數(shù)字可編程找出最佳電壓波形

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

　　對于波形的穩(wěn)定度來說，會直接的影響電源的轉(zhuǎn)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(xiàn)急遽上升的話，電流波形將會出現(xiàn)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(qū)動之間的電路增加電阻，來調(diào)整轉(zhuǎn)換效率以及噪訊的權(quán)衡(trade-off)，但是能夠調(diào)整參數(shù)只有為了阻抗值而已，很少數(shù)的情況下才有機會達到效率的調(diào)整。

　　從閘極驅(qū)動(Gate Driver)所輸出驅(qū)動訊號的波形如果能夠被數(shù)字可編程，這樣的話，就能夠隨意地設定波形的細致度。

　　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(diào)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(qū)動訊號，反之，在最初設定低電壓后，在Time Segment增加的電壓值則會緩慢上升。這樣的驅(qū)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(qū)動訊號的波形利用數(shù)字可編程，就能隨意地設定波形的細致度

　　如何穩(wěn)定的供應物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品驅(qū)動電力所需

　　以目前的應用市場而言，能夠連上網(wǎng)絡的設備或產(chǎn)品，每年銷售戶新型態(tài)產(chǎn)品都呈現(xiàn)急速的增加，另一方面，這類型產(chǎn)品的開發(fā)趨勢，也就愈來越小型化以及隨身化。就像是可攜式的醫(yī)療設備，包括了常見的測量用傳感器、再演進到可埋入身體的心律調(diào)整器或人工內(nèi)耳助聽器等，只要在身體上所放置的這類型產(chǎn)品具有無線功能，就能夠自動連接上網(wǎng)絡。

　　但是，無論是穿戴式或是可埋入身體的這些產(chǎn)品具有聯(lián)網(wǎng)功能，而被稱之為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品都具有相同的一個研發(fā)課題，那就是如何穩(wěn)定的供應產(chǎn)品所需要的驅(qū)動電力。

　　這些穿戴式產(chǎn)品在使用時的舒適感會直接影響購買的欲望，因此在外觀上，經(jīng)常會被設計成輕薄短小，或是依賴加入更多的各類型傳感器來達到人性化的目的。不過由于是這樣的目的，使得擔負電力供應的電池體積就會被局限在一定的范圍之內(nèi)，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后就必須進行充電的動作。

　　例如，可聯(lián)網(wǎng)的義肢等產(chǎn)品，如果是正在進行聯(lián)網(wǎng)動作無法中斷，而又出現(xiàn)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(zhuǎn)折的地方，都會對使用者造成一定程度的不舒適感。

　　低電壓將影響組件反應速度

　　因此，在長時間使用無法自行更換電池的物聯(lián)網(wǎng)終端時，半導體組件的低電壓化與低耗電化技術(shù)就顯得非常重要。特別是采用1V以下低電壓電源的半導體組件驅(qū)動技術(shù)，以及利用自然現(xiàn)象發(fā)電的產(chǎn)品。

　　以目前來說，1.2V電壓驅(qū)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(chǎn)品的效能。不過，由于低電壓的影響所造成反應速度變慢，在這一方面，或許可以考慮采用分時同工或多核心來作為彌補，達到低電壓化的基本結(jié)構(gòu)。

　　當然，我們也知道，也不能單純一味地降低電壓，因為現(xiàn)階段的半導體芯片，除了邏輯電路之外，也持續(xù)的加入個組件電路，例如包括內(nèi)存、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(qū)動所有的功能性電路區(qū)塊。不過，當驅(qū)動電壓降到了0.5V的時候，這時內(nèi)建在芯片里的各個功能性電路就會出現(xiàn)程度不一的變化，因此能夠提供滿足各種功能電路區(qū)塊的電壓，就成了一項不可或缺的考慮和工作，這時面對各種電壓要求下，多電壓電源供應也就成了單芯片必要的能力之一。

圖3 : 提供滿足各種功能電路區(qū)塊的電壓，是未來研發(fā)時不可或缺的考慮和工作

　　例如，在單一芯片內(nèi)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，這對于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芯片化和低耗電化的技術(shù)研發(fā)，就像英特爾的Core架構(gòu)的第四代產(chǎn)品Haswell(開發(fā)代號)，在其單芯片的內(nèi)部就采用了13種不同電源電壓。

　　無線OnChip電源電路

　　采用自然現(xiàn)象發(fā)電技術(shù)，須考慮極度不穩(wěn)地電壓輸入的條件

　　在面對技采用自然現(xiàn)象發(fā)電技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品時，在供電的電源電路方面，就必須考慮極度不穩(wěn)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(fā)電，或者是太陽能發(fā)電的產(chǎn)品上，發(fā)電輸出電壓大約是100mA左右或者更低，這時如果需要讓驅(qū)動電壓為1V的組件動作的話，就必須依賴強大的升壓電路。對于這樣的需求，市場上的功率芯片業(yè)者就提供了相對應的產(chǎn)品，例如可以支持20mV的升壓功率組件，但是在為了完成整體電源電路結(jié)構(gòu)時，還必須考慮使用1對100的變壓器等外部附加的組件，來達到讓用戶不必擔心電力問題而隨心所欲的使用穿戴式等等的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)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(chǎn)品，對電源設計來說是相當嚴峻的考驗。

　　其實，對于供電電壓在100mV的情況下，在技術(shù)上是有一定的困難度。根據(jù)實際設計的經(jīng)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晶體管來進行開關(guān)的動作，80mV的電壓是比MOS的動作門坎電壓還低很多，所以沒有辦法對閘極輸入ON的狀態(tài)，因此在芯片的內(nèi)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(zhuǎn)換器(Charge pump)，在接受80mV電壓的電荷幫浦轉(zhuǎn)換器，由于驅(qū)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后，一口氣送出0.5V的電力，強迫進行開關(guān)(ON/OFF)的動作，此外如果更進一步的話，也可以在單芯片的變壓電路上去除電感組件。

　　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(xiàn)象發(fā)電之下，要能穩(wěn)定供應電源還有著各種的問題點需要克服，例如，采用RF無線充電時，所產(chǎn)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?shù)?，這時，如何完善的對高頻低壓來進行升壓的技術(shù)也是非常的重要。另外，利用壓電組件震動發(fā)電時，也將會面臨30V的交流電壓，這時就需要考慮如何有效控制高壓的交流電。

　　伴隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品功能性與充電能力不斷的增加，內(nèi)部所采用的半導體組件也將會愈來愈復雜，彼此的分工也愈來愈細，這時就會面對在大量生產(chǎn)下，如何降低生產(chǎn)成本的困難課題，就像是采用不同的自然現(xiàn)象發(fā)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(diào)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(chǎn)生能否達到電源優(yōu)化的目的?；谶@樣的概念，事實上，也有專家進行相關(guān)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優(yōu)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組件業(yè)者開發(fā)出更聰明、更有效率的新產(chǎn)品出來。