「電」在電子工程的世界中理所當然是不可或缺的關鍵要素,而如何在設計各種電子產品時將電源做最有效的運用,好讓系統運作能符合節能省電環保需求,或是更進一步延長可攜式裝置電池續航力,成為電子工程師們的首要任務。

為此,由電子工程專輯(EE Times Taiwan)與電子技術設計(EDN Taiwan)主辦的年度TechTaipei系列「新時代電源管理設計與功率元件技術」研討會,邀請到了業界專家從馬達控制、系統功耗量測、行動裝置電源系統設計、離散功率元件、變壓器設計等等角度探討最新技術趨勢,並分享了最新的電源模組、散熱材料與電源管理晶片(PMIC)等等相關解決方案。

無所不在的馬達需要高效率控制技術

馬達(motor)在我們的日常生活可見的各種電子裝置中幾乎無所不在,意法半導體(ST)技術行銷經理林進裕表示,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印表機…到大功率的生產線上機器人、工廠自動化設備等等系統內部都有馬達裝置,良好的馬達控制對於系統的順暢運作與節能省電至關重要,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、節能等特性已經成為主流技術,歐盟也將規定消費性電子如吸塵器、空氣清淨機家電等需要採用這類馬達;而步進馬達則強調穩定性與精準度,適用於如噴墨印表機、無人機等需要有穩定的成像、攝影效果的裝置;DC馬達最單純,只有反轉/正轉兩種模式,預期會逐漸被BLDC馬達取代。

BLDC馬達與步進馬達需要不同的拓樸來支援不同轉速與運轉模式,而控制馬達的運轉就是一門學問,除了硬體技術也會需要以軟體輔助;有鑑於大多數系統業者都會需要精簡化的設計以縮小電路板佔位面積,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電晶體(MOSFET)等元件,策略是「不能SoC就SiP」,除了滿足外觀尺寸較小的終端裝置需求,也能將支援的應用功率範圍擴大,並能因此為客戶節省原本在PCB設計上需要做的流程,也降低BOM成本。

深度功耗量測助力解決電量不足焦慮

要確保產品電源設計符合能效要求,或是改善現有設計以更進一步提升電源效率、延長續航力,是許多電子系統設計工程師正面臨的挑戰,特別是採用電池供電的裝置;是德科技(Keysight)資深應用經理林昭彥表示,當物聯網(IoT)時代來臨,電池供電裝置被預期的待機時間已經從幾個小時,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,要達到系統運作的低功耗要靠關鍵模組/元件性能,以及硬體與軟體功能之間的良好平衡;至於電池方面,由於電池技術本身演進速度相對較緩慢,期望電池容量能在短時間內有很大的突破並不切實際,因此借重優異的電池管理技術延長電池壽命(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,就能找出問題所在並進行電源設計最佳化。在系統耗電量測方面,具備能支援不同類型裝置量測彈性的電源分析儀會是關鍵工具;林昭彥舉例指出,智慧終端機、IoT裝置與AI裝置、無線VR裝置等,因為耗電模式變化範圍大、動態脈衝電流持續時間短,需要採樣速度快並能長時間量測;物聯網通訊NB-IoT技術耗電則與訊號品質相關,會需要與基地台模擬器連線量測;還有智慧手錶的功耗量測需要在不同運作模式之下、並開啟不同功能;無人機的耗電量測則是需記錄從開機、連網、起飛到降落的整個耗電歷程。

要進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,並利用探棒將焦點集中在最想了解的模組上,以達到精確的分析結果。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,但這又是不易更換電池的IoT裝置最需要的;對此林昭彥表示,新一代的電源分析儀能替代IoT模組對電池進行放電,並在一天之內完成需要預測十年運作時間的電池續航力評估,準確掌握電池的自放電特性,為IoT裝置業者大幅節省產品開發時間、提升效益。

穿戴式裝置電源系統設計趨勢:開源節流

包括運動健身手環、智慧手錶,還有智慧眼鏡、VR遊戲頭盔等等穿戴式裝置,隨著多家品牌業者陸續在市場推出成功獲得消費者青睞的產品,以及擴增/虛擬實境(AR/VR)技術的逐漸成熟,正持續擴張其市場版圖。而穿戴裝置的電源設計要求,與一般可攜式裝置又有些許差異。

羅姆半導體(ROHM)台灣設計中心所長林志昇表示,穿戴式裝置的設計正朝著佩帶舒適、美觀外形設計、更長時間的電池壽命、多樣化功能,還有流暢的控制介面——以AR/VR裝置來說則是需要支援具臨場感的沉浸式體驗——等方向發展,因此對於元件的需求重點在於小型化、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;此外穿戴式裝置的電池設計也會是一大挑戰,不僅需要比傳統的鈕扣電池尺寸更小,對於安全性與續航力的要求也更高。

為迎合穿戴式裝置設計需求,ROHM除了有訴求微型化的RASMID系列電阻與二極體元件,亦有訴求低功耗的Nano系列電源IC。林志昇指出,為達到低功耗目標的高阻值設計挑戰在於會有洩漏電流、雜訊敏感度與反應速度方面的問題;而希望反應速度越快,耗電量就會越高,需要在各種條件上折衷考量並提供穩定的控制技術。ROHM的成功設計案例是與日本神戶大學合作完成耗電量低於30μA的生物感測模組,只需要使用標準CR2032鈕扣電池就能連續運作2周,這類模組可製作貼片型的醫療保健監測裝置,讓使用者幾乎感覺不到其存在。

除了「節流」,可穿戴裝置的「開源」設計也很重要,例如以高效率無線充電技術讓穿戴式裝置在短時間內補充電力,或是利用能量採集技術達到免換電池的目標;在這方面ROHM能提供支援Qi標準的無線充電解決方案,亦有結合能量採集(壓電、太陽能…)與超低功耗感測器、無線通訊方案(EnOcean)的物聯網平台,為各種應用環境擺脫線路羈絆。

USB PD 3.0+PPS變壓器設計提升可攜式裝置充電效率

隨著USB Type-C介面規格逐漸普及,包括手機、平板電腦與筆電等在內的可攜式裝置充電器「大一統」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)技術的支持,不但有機會將目前市面上呈現多頭馬車的快充標準收歸一體,也能對匯流排電壓和電流進行精確調節,而實現更快速、安全又能維持電池「健康」的充電。

Power Integrations (PI)高階行銷經理李子俊表示,以智慧型手機電源為例,在充電時產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)控制來管理手機電源,實現「冷」充電,解決發熱帶來的電池損耗問題。PI針對變壓器應用推出的InnoSwitch3-Pro系列開關電源IC,採用可變頻率返馳式架構,支援同步整流、準諧振(QR)與連續/不連續導通(CCM/DCM)運作模式,具備精簡化優勢,能提供低功率、高可靠性的手機/可攜式裝置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,支援以I2C介面數位控制輸出電壓與電流,已通過安規認證;而該元件能實現精簡化電路設計,能達到降低成本的效果。採用該晶片的多項設計也已經成功通過USB PD+PDD的相容性測試,將為各種可攜式裝置帶來更快速、安全的充電解決方案。

多樣化應用需求催生電源模組架構創新

以電池供電的小功率可攜式裝置因為產品的多元化而對電源設計有五花八門的需求,而隨著市場對節能環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,包括輸出範圍越來越廣、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的需求。

Vicor現場應用工程師張仁程表示,市場對電源技術的要求越來越高,包括在功能與性能方面的表現,例如更有效的散熱設計、遠端遙控等等,「功能越多越好」成為常見的客戶需求;還有電源系統的輕量化在以往並不那麼被注重,現在則有更多客戶對功率重量比(power to weight)有所要求。而他指出,資料中心與汽車內的電源架構正從12V逐漸轉向48V,就能在許多方面提供優勢,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開發了創新的電源模組架構克服諸多挑戰,例如針對支援AI、機器學習的高性能運算資料中心,利用合封電源(Power on Package)技術消除「最後一吋」(the last inch)的功率損耗,還有小體積、高功率密度的資料中心專用AC-DC/HVDC-DC方案,以及針對接近處理器的電源應用實現低雜訊、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等創新技術;此外其三相AC前端電源模組與高整合度的前端負載點(POL)方案,都能為現代資料中心提升電源系統可靠度與功率密度。

新一代導熱材料實現高可靠度車載電源應用

除了以低功耗元件、高效率電源系統為電子裝置提供節能、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、安全運作的關鍵要素。例如2004年成立、來自中國深圳的傲川科技,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、矽脂、導熱泥等各種型態的導熱產品。

傲川科技聯合創始人暨銷售總監周暉表示,以往導熱材料廠商都是以銷售現成產品為主,但今日的終端產品對於導熱材料的安全規格、耐受性等條件有更高的要求,再加上產品外觀小型化需要節省系統內部空間,就會衍生客製化的創新解決方案。舉例來說,手機導熱材料原本已採用矽脂為主,但若塗層太厚會出現矽油滲出的現象、影響產品功能,導熱泥就應運而生。在一些應用中,導熱墊片也會有晶片無法承受的壓力問題,因此導熱凝膠就成為替代方案。

有鑑於採用電池動力的新能源汽車在中國市場越來越普及,對車載電源系統的散熱需求也不斷成長,傲川與中國多家新能源汽車業者合作,針對不同部位的電源裝置提供多樣化、可靠的導熱解決方案,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。周暉表示,該公司十分注重與客戶的交流與溝通,能協助客戶因應產業規格與標準的變化, 以節省成本並符合規範。

首創「共振反馳式架構」旨在催生更小變壓器

為將電源供應器的變壓器進一步縮小,總部位於台灣、在美國擁有研發團隊的AC-DC類比電源IC晶片設計業者虹冠電子(Champion),特別邀請研發長黃新年從矽谷返台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,此架構號稱因為能在高壓側與低壓側的功率MOSFET實現零電壓切換(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,以及主動箝位返馳式(Active Clamp Flyback,ACF)架構轉換器並不相同;Dr. Flyback是閉迴路(close loop),ACF架構則是開迴路(open loop),在高壓側會需要用到氮化鎵(GaN) MOSFT,但Dr. Flyback只需應用超接面製程高壓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元件,預期在正式問世之後,能催生更小巧、更具效益的電源系統變壓器。

20181203NT31P1 圖1 Dr. Flyback與ACF轉換器架構比較。

電源管理大作戰不可或缺的「小兵」

若說電源管理IC是在系統中節省功耗、提升效率的「主將」,包括MOSFET、IGBT、二極體以及電阻、電容、電感等等離散式功率元件,則是這場戰鬥中不可缺少的「小兵」;而針對不同的「戰場」需求,各家功率元件供應商在「小兵」產品上的策略,就是提供多樣化的選擇,並訴求高品質的生產。

例如Vishay就具備多樣化的電容、電感與電阻產品陣容,以及低電壓功率MOSFET、高整合度整流器IC等一系列電源元件;該公司應用工程師林軍筑表示,Vishay有超過六成營收來自於對元件要求更嚴苛的車用與工業市場,在其他廣泛應用領域也都有所著墨,能為客戶滿足不同電源系統設計上的需求。

而ST同樣在離散式功率元件方面,也能提供多樣化的工業與車用高規格解決方案;該公司大中華暨南亞區功率元件技術行銷經理陳文聰表示,前面介紹過的ST馬達驅動方案雖然以小功率為主,但在離散元件部分則從小功率到高功率系統都有相對應 的解決方案。高壓製程的改善、元件可靠度的提升,都是離散功率元件的發展重點,而這些「小兵」的共同目標,就是為電子產品的高效率運作與節約能源貢獻一己之力。