關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)技巧

另一方面，也可以感受到現(xiàn)有硅電源半導(dǎo)體逐漸居于相對(duì)性的劣勢(shì)，但是就僅僅因?yàn)檫@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(dāng)。

在最近，特別是絕緣閘雙極晶體管（IGBT）的出現(xiàn)相當(dāng)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(xì)微化之下，可以感受到已經(jīng)達(dá)到電力浪費(fèi)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(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制程技術(shù)，在提高IGBT等等的硅電源半導(dǎo)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(dǎo)體組件而改采用SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）等新一代電源組件。

此外，閘極驅(qū)動(dòng)（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(dòng)的輸出，再透過驅(qū)動(dòng)訊號(hào)來對(duì)IGBT的開或關(guān)進(jìn)行控制，而在其中最為重要的就是驅(qū)動(dòng)訊號(hào)的波形。對(duì)于波形的穩(wěn)定度來說，會(huì)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?yàn)樽儞Q效率增強(qiáng)而出現(xiàn)急遽上升的話，電流波形將會(huì)出現(xiàn)瞬間過沖（Overshoot）使得噪訊增加。因此在這個(gè)時(shí)候，一般而言，電源設(shè)計(jì)者就會(huì)在連接IGBT和閘極驅(qū)動(dòng)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(jī)會(huì)達(dá)到效率的調(diào)整。從閘極驅(qū)動(dòng)（Gate Driver）所輸出驅(qū)動(dòng)訊號(hào)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(shè)定波形的細(xì)致度。舉例來說，利用4個(gè)或8個(gè)Time Segment，針對(duì)每個(gè)Time Segment都提供獨(dú)立的64階可調(diào)設(shè)電壓。在最初的Time Segment突然間設(shè)定高電壓的話，就能達(dá)到快速攀升的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)，反之，在最初設(shè)定低電壓后，在Time Segment增加的電壓值則會(huì)緩慢上升。這樣的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)波形的設(shè)定彈性相當(dāng)高，如果是4個(gè)Time Segment時(shí)，就能夠有64階乘上4個(gè)Time Segment，總共有1677萬(wàn)個(gè)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(dòng)訊號(hào)的波形利用數(shù)字可編程，就能隨意地設(shè)定波形的細(xì)致度

以目前的應(yīng)用市場(chǎng)而言，能夠連上網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備或產(chǎn)品，每年銷售新型態(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(shì)，也就愈來越小型化以及隨身化。

就像是可攜式的醫(yī)療設(shè)備，包括了常見的測(cè)量用傳感器、再演進(jìn)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(wú)線功能，就能夠自動(dòng)連接上網(wǎng)絡(luò)。但是，無(wú)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(gè)研發(fā)課題，那就是如何穩(wěn)定的供應(yīng)產(chǎn)品所需要的驅(qū)動(dòng)電力。這些穿戴式產(chǎn)品在使用時(shí)的舒適感會(huì)直接影響購(gòu)買的欲望，因此在外觀上，經(jīng)常會(huì)被設(shè)計(jì)成輕薄短小，或是依賴加入更多的各類型傳感器來達(dá)到人性化的目的。

不過由于這種目的，使得擔(dān)負(fù)電力供應(yīng)的電池體積就會(huì)被局限在一定的范圍之內(nèi)，或者是被設(shè)計(jì)成使用者無(wú)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(wú)法有效進(jìn)行電源消耗管理的話，勢(shì)必會(huì)讓使用者用一段時(shí)間后就必須進(jìn)行充電的動(dòng)作。例如，可聯(lián)網(wǎng)的義肢等產(chǎn)品，如果是正在進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)動(dòng)作無(wú)法中斷，而又出現(xiàn)電力不足時(shí)，這時(shí)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(zhǎng)度或轉(zhuǎn)折的地方，都會(huì)對(duì)使用者造成一定程度的不舒適感。

因此，在長(zhǎng)時(shí)間使用無(wú)法自行更換電池的物聯(lián)網(wǎng)終端時(shí)，半導(dǎo)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(dǎo)體組件驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(yīng)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(yīng)速度變慢，在這一方面，或許可以考慮采用分時(shí)同工或多核心來作為彌補(bǔ)，達(dá)到低電壓化的基本結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，我們也知道，也不能單純一味地降低電壓，因?yàn)楝F(xiàn)階段的半導(dǎo)體芯片，除了邏輯電路之外，也持續(xù)的加入個(gè)組件電路，例如包括內(nèi)存、AC-DC變壓器、無(wú)線電路等，基本上這些都能夠靠1V的供電電壓下，驅(qū)動(dòng)所有的功能性電路區(qū)塊。

不過，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓降到了0.5V的時(shí)候，這時(shí)內(nèi)建在芯片里的各個(gè)功能性電路就會(huì)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(xiàng)不可或缺的考慮和工作，這時(shí)面對(duì)各種電壓要求下，多電壓電源供應(yīng)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(shí)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(yīng)的話，或許就必須準(zhǔn)備10種不同的外部電源，這對(duì)于使用者來說是相當(dāng)不方便的，這也就促進(jìn)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(hào)），在其單芯片的內(nèi)部就采用了13種不同電源電壓。

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(duì)技采用自然現(xiàn)象發(fā)電技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品時(shí)，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(shí)升壓電路就會(huì)變得非常重要。例如，在面對(duì)利用體溫和室溫的溫差發(fā)電，或者是太陽(yáng)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(shí)如果需要讓驅(qū)動(dòng)電壓為1V的組件動(dòng)作的話，就必須依賴強(qiáng)大的升壓電路。

對(duì)于這樣的需求，市場(chǎng)上的功率芯片業(yè)者就提供了相對(duì)應(yīng)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(shí)，還必須考慮使用1對(duì)100的變壓器等外部附加的組件，來達(dá)到讓用戶不必?fù)?dān)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。

其實(shí)，對(duì)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(shí)際設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)來說，在80mV進(jìn)行升壓的狀況下，在升壓電路中是無(wú)法使用MOS晶體管來進(jìn)行開關(guān)的動(dòng)作，80mV的電壓是比MOS的動(dòng)作門坎電壓還低很多，所以沒有辦法對(duì)閘極輸入ON的狀態(tài)，因此在芯片的內(nèi)部，就必須對(duì)閘極電壓進(jìn)行提升來達(dá)到讓閘極作動(dòng)，這也是非常重要的。這時(shí)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(dòng)力量還是非常低，因此會(huì)一點(diǎn)一滴地將電荷儲(chǔ)存起來，從0V到0.5V緩慢地升壓，當(dāng)儲(chǔ)存到一定的能量之后，一口氣送出0.5V的電力，強(qiáng)迫進(jìn)行開關(guān)（ON/OFF）的動(dòng)作，此外如果更進(jìn)一步的話，也可以在單芯片的變壓電路上去除電感組件。

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(yīng)電源還有著各種的問題點(diǎn)需要克服，例如，采用RF無(wú)線充電時(shí)，所產(chǎn)生出來的微波輻射也會(huì)影響電力的變化，而這些的RF無(wú)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(wú)線充電所獲得的電壓也是相當(dāng)?shù)?，這時(shí)，如何完善的對(duì)高頻低壓來進(jìn)行升壓的技術(shù)也是非常的重要。另外，利用壓電組件震動(dòng)發(fā)電時(shí)，也將會(huì)面臨30V的交流電壓，這時(shí)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(dǎo)體組件也將會(huì)愈來愈復(fù)雜，彼此的分工也愈來愈細(xì)，這時(shí)就會(huì)面對(duì)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(yīng)電源時(shí)，就必須匹配不同的電源處理單元與電路。當(dāng)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(shè)定能夠符合不同的供電來源，雖然解決了一個(gè)電路匹配不同供電源的成本問題，但是卻又會(huì)產(chǎn)生能否達(dá)到電源優(yōu)化的目的。

基于這樣的概念，事實(shí)上，也有專家進(jìn)行相關(guān)的研究，但是最終都是以放棄作為收?qǐng)?，原因還是出在效率無(wú)法優(yōu)化?；蛟S這樣同一電源電路匹配各種不同電源供應(yīng)的理念目標(biāo)，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。