無電池電源設計突破 推進人工智慧物聯網
人工智慧物聯網(AIoT)為近年的新興議題,拜5G平台崛起所賜,龐大資料的上傳及下載可在瞬間完成,使得人工智慧物聯網的發展更加迅速。然而,物聯網的佈建無遠弗屆、無所不在,如何為物聯網上的各種裝置供給所需能量?這是業界的大哉問。
尤其是全球物聯網裝置數量至2020年已成長達500億個,挑戰更形嚴峻,想想若是採用一般電池供電,為這些裝置更換電池得花上多少時間?更遑論裝置若是位於山之巔、海之涯,換電池是如何之難。因此,在某些情境之下,無電池設計是一必然趨勢,也能進一步擴大應用層面。
從環境中擷取能源,電源管理挑戰多
為了達成無電池設計,近十年業界嘗試了光、熱、震動、射頻等方式,採用相對應的傳感器,可將這些環境能源傳換成電能,然而這些供電方式並不穩定,容易受環境影響,且電壓時高時低,所以必須仰賴電源管理IC進行有效管理並提供穩定的電壓給物聯網裝置,例如穿戴式裝置、遠端醫療裝置等。
整體來說,無電池微型裝置電源設計的挑戰在於:首先,電壓普遍偏低,大部分小於0.8伏,而且可以擷取的功率很少,約100微瓦(microwatt),因此控制電路本身功耗必須在10微瓦以下,也就是說,必須設計出低電壓、低功耗的控制電路,才能符合無電池微型裝置的需求。其次,由於電力十分有限,因此希望能從傳感器擷取更多能量。
其三,系統需在無電池的狀態下啟動。最後,每一個傳感器都有使用限制,可能需要光、振動及或RF等,因此若能設計出結合多來源的擷取電路,將可大大提升應用情境。陽明交通大學電子研究所教授兼所長陳柏宏團隊所研發的電源管理IC,充分符合上述四項要求。
動態偵測能量來源,自動切換
視應用的不同,電池的組合搭配可以非常多樣,可以是兩種或是三種供電技術的組合。例如,有些大功率輸出應用仍需使用一般電池,因此在設計上可結合一般電池及太陽能電池,採用複合形式。若是想實現完全無電池設計,也可採用太陽能做為主電源,溫度差發電做為輔助電源,或是其他組合的設計方式。
針對如此多元的電源組合,電源管理IC必須更有智慧。不同於以手動方式切換的方式,陳柏宏及其團隊開發的全自動偵測輸入電壓源技術,能夠以動態偵測方式,迅速判斷能量擷取來源輸入及輸出,且能達到高效能。
此一電源管理技術的突破,使得物聯網裝置能自動切換從不同的來源擷取能量,且將多餘的能量儲存在電容中,對於人工智慧物聯網的普及將是一大助力。