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物联网应用产品的电源设计困扰
面对不同供电源

【作者: 盧傑瑞】2017年12月06日 星期三

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对於智慧手表等等的穿戴式产品以及物联网设备,在电力部分达到低耗电目标、不需要经常进行烦人的充电动作、以及能够确保在随心所欲使用下有足够的电源,是关系到产品被信任度及价值性的关键问题。


就目前来说,无论是振动、温差、太阳能等等,利用自然现象的发电技术,虽然能够及时补充所需的电力,但是由於期??穿戴式产品,或物联网设备在重要时刻不会突然出现电力中断而带来致命性问题的话,电源管理设计相对地就会变得非常重要。


大多的电源电路、电子电路、充电电池以及家用的交流电电源等,都是以能够提供稳定的电源输出来提供所需电力为前提而进行各种技术的开发,由於像前述利用自然现象的发电技术,因为是在相当低的电压下来取得非常不稳定的电力,因此相对应的电源技术就显现出其必要。


新制程出现,矽电源半导体逐渐居於相对性的劣势

就一般而言,AC-DC转换器、DC-DC转换器、逆变器等等,皆是由电源控制电路、电源元件(IGBT及电源MOSFET等)、闸极驱动(Gate Driver)、隔离器(isolator)等等所组成。但就目前其中的电源半导体来说,像是SiC(碳化矽)、GaN(氮化??)等等的新一代电源。


元件相当的备受注目。使用这些电源半导体的话,不仅仅能够获得更高的电源转换效率之外,同时也能够达到小型、轻量化的目的。


事实上,在工业用设备、车辆、绿色能源设备等等方面已经开始被应用,而达到电源的高效率化以及小型化。另一方面,也可以感受到现有矽电源半导体逐渐居於相对性的劣势,但是就仅仅因为这样,而一味的改用新一代电源元件的话,或许也不是非常的适当。在最近,特别是绝缘闸双极电晶体(IGBT)的出现相当显着的改善,由於在内部结构的改善以及制程更趋向细微化之下,可以感受到已经达到电力浪费的降低,以及转换效能有明显提升的结果。



图1 : 更高的效率追求下SiC(碳化矽)、GaN(氮化??)将成为新一代电源主流元件
图1 : 更高的效率追求下SiC(碳化矽)、GaN(氮化??)将成为新一代电源主流元件

因此,藉由更先进的结构设计与制程技术,在提高IGBT等等的矽电源半导体之後,在为了更高的效率追求下,并非只能舍弃矽电源半导体元件而改采用SiC(碳化矽)、GaN(氮化??)等新一代电源元件。


利用数位可编程找出最隹电压波形

此外,闸极驱动(Gate Driver)的部分,则是由放大器电路(Amplifier)以及电晶体开关(Switching transistor)等所组成。再由IGBT的闸极来接连闸极驱动的输出,再透过驱动讯号来对IGBT的开或关进行控制,而在其中最为重要的就是驱动讯号的波形。


对於波形的稳定度来说,会直接的影响电源的转换效率(电力耗损)以及噪讯是否过大。例如波形因为变换效率增强而出现急遽上升的话,电流波形将会出现瞬间过冲(Overshoot)使得噪讯增加。


因此在这个时候,一般而言,电源设计者就会在连接IGBT和闸极驱动之间的电路增加电阻,来调整转换效率以及噪讯的权衡(trade-off),但是能够调整叁数只有为了阻抗值而已,很少数的情况下才有机会达到效率的调整。


从闸极驱动(Gate Driver)所输出驱动讯号的波形如果能够被数位可编程,这样的话,就能够随意地设定波形的细致度。


举例来说,利用4个或8个Time Segment,针对每个Time Segment都提供独立的64阶可调设电压。在最初的Time Segment突然间设定高电压的话,就能达到快速攀升的驱动讯号,反之,在最初设定低电压後,在Time Segment增加的电压值则会缓慢上升。这样的驱动讯号波形的设定弹性相当高,如果是4个Time Segment时,就能够有64阶乘上4个Time Segment,总共有1677万个组合,就能够在有限的人力资源下找到最隹的波形。



图2 : 将输出驱动讯号的波形利用数位可编程,就能随意地设定波形的细致度
图2 : 将输出驱动讯号的波形利用数位可编程,就能随意地设定波形的细致度

如何稳定的供应物联网产品驱动电力所需

以目前的应用市场而言,能够连上网路的设备或产品,每年销售户新型态产品都呈现急速的增加,另一方面,这类型产品的开发趋势,也就愈来越小型化以及随身化。就像是可携式的医疗设备,包括了常见的测量用感测器、再演进到可埋入身体的心律调整器或人工内耳助听器等,只要在身体上所放置的这类型产品具有无线功能,就能够自动连接上网路。


但是,无论是穿戴式或是可埋入身体的这些产品具有联网功能,而被称之为物联网产品都具有相同的一个研发课题,那就是如何稳定的供应产品所需要的驱动电力。


这些穿戴式产品在使用时的舒适感会直接影响购买的欲??,因此在外观上,经常会被设计成轻薄短小,或是依赖加入更多的各类型感测器来达到人性化的目的。不过由於是这样的目的,使得担负电力供应的电池体积就会被局限在一定的范围之内,或者是被设计成使用者无法自行更换,因此就必须附加令人讨厌的充电电源线,如果一旦无法有效进行电源消耗管理的话,势必会让使用者用一段时间後就必须进行充电的动作。


例如,可联网的义肢等产品,如果是正在进行联网动作无法中断,而又出现电力不足时,这时就需要接上充电电源线,但是一般的电源线在使用上,例如长度或转折的地方,都会对使用者造成一定程度的不舒适感。


低电压将影响元件反应速度

因此,在长时间使用无法自行更换电池的物联网终端时,半导体元件的低电压化与低耗电化技术就显得非常重要。特别是采用1V以下低电压电源的半导体元件驱动技术,以及利用自然现象发电的产品。


以目前来说,1.2V电压驱动的CMOS电路的电源电压大多降到0.3V,虽然耗电的部分可以减少到1/1000,但反应速度也变慢了100倍。这样一来,虽然能源的效率增加了10倍,但也影响了产品的效能。不过,由於低电压的影响所造成反应速度变慢,在这一方面,或许可以考虑采用分时同工或多核心来作为弥补,达到低电压化的基本结构。


当然,我们也知道,也不能单纯一味地降低电压,因为现阶段的半导体晶片,除了逻辑电路之外,也持续的加入个元件电路,例如包括记忆体、AC-DC变压器、无线电路等,基本上这些都能够靠1V的供电电压下,驱动所有的功能性电路区块。不过,当驱动电压降到了0.5V的时候,这时内建在晶片里的各个功能性电路就会出现程度不一的变化,因此能够提供满足各种功能电路区块的电压,就成了一项不可或缺的考量和工作,这时面对各种电压要求下,多电压电源供应也就成了单晶片必要的能力之一。



图3 : 提供满足各种功能电路区块的电压,是未来研发时不可或缺的考量和工作
图3 : 提供满足各种功能电路区块的电压,是未来研发时不可或缺的考量和工作

例如,在单一晶片内需要10种不同电压电源供应的话,或许就必须准备10种不同的外部电源,这对於使用者来说是相当不方便的,这也就促进了多电源电路的单晶片化和低耗电化的技术研发,就像英特尔的Core架构的第四代产品Haswell(开发代号),在其单晶片的内部就采用了13种不同电源电压。


无线OnChip电源电路

采用自然现象发电技术,须考虑极度不稳地电压输入的条件

在面对技采用自然现象发电技术的物联网产品时,在供电的电源电路方面,就必须考虑极度不稳地电压输入的条件,这时升压电路就会变得非常重要。


例如,在面对利用体温和室温的温差发电,或者是太阳能发电的产品上,发电输出电压大约是100mA左右或者更低,这时如果需要让驱动电压为1V的元件动作的话,就必须依赖强大的升压电路。对於这样的需求,市场上的功率晶片业者就提供了相对应的产品,例如可以支援20mV的升压功率元件,但是在为了完成整体电源电路结构时,还必须考虑使用1对100的变压器等外部附加的元件,来达到让使用者不必担心电力问题而随心所欲的使用穿戴式等等的物联网产品。



图4 : 让使用者不必担心电力问题而随心所欲的使用穿戴式产品,对电源设计来说是相当严峻的考验。
图4 : 让使用者不必担心电力问题而随心所欲的使用穿戴式产品,对电源设计来说是相当严峻的考验。

其实,对於供电电压在100mV的情况下,在技术上是有一定的困难度。根据实际设计的经验来说,在80mV进行升压的状况下,在升压电路中是无法使用MOS电晶体来进行开关的动作,80mV的电压是比MOS的动作门槛电压还低很多,所以没有办法对闸极输入ON的状态,因此在晶片的内部,就必须对闸极电压进行提升来达到让闸极作动,这也是非常重要的。


这时就可以利用电荷帮浦转换器(Charge pump),在接受80mV电压的电荷帮浦转换器,由於驱动力量还是非常低,因此会一点一滴地将电荷储存起来,从0V到0.5V缓慢地升压,当储存到一定的能量之後,一囗气送出0.5V的电力,强迫进行开关(ON/OFF)的动作,此外如果更进一步的话,也可以在单晶片的变压电路上去除电感元件。


微波辐射也会影响电力的变化

除了电压的问题之外,在利用自然现象发电之下,要能稳定供应电源还有着各种的问题点需要克服,例如,采用RF无线充电时,所产生出来的微波辐射也会影响电力的变化,而这些的RF无线充电几??都是来自1GHz以上的高频率电波。相同的利用RF无线充电所获得的电压也是相当低,这时,如何完善的对高频低压来进行升压的技术也是非常的重要。另外,利用压电元件震动发电时,也将会面临30V的交流电压,这时就需要考量如何有效控制高压的交流电。


伴随着物联网产品功能性与充电能力不断的增加,内部所采用的半导体元件也将会愈来愈复杂,彼此的分工也愈来愈细,这时就会面对在大量生产下,如何降低生产成本的困难课题,就像是采用不同的自然现象发电供应电源时,就必须匹配不同的电源处理单元与电路。


当然也可以使用相同的电源处理单元与电路情况下,透过调整输入的特性设定能够符合不同的供电来源,虽然解决了一个电路匹配不同供电源的成本问题,但是却又会产生能否达到电源最隹化的目的。基於这样的概念,事实上,也有专家进行相关的研究,但是最终都是以放弃作为收场,原因还是出在效率无法最隹化。


或许这样同一电源电路匹配各种不同电源供应的理念目标,还是必须等待在未来功率元件业者开发出更聪明、更有效率的新产品出来。


**刊头图(source:GeoMarketing)


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