善用獵能技術 突破物聯網供電瓶頸

交通大學電子工程學系副教授陳柏宏(中)與研究團隊博士班學生吳仲祥(左)及碩士班學生林凱鈞(右)。

物聯網(IoT)串連各式各樣的裝置，數量之多令人咋舌，根據Strategy Analytics研究，至2017年底將有200億個物聯網和互聯裝置佈署於全球，且未來4年內將再增加100億個裝置。另有研究機構數據顯示，全球物聯網裝置的數量快速攀升，預計至2020年將有204億個聯網裝置，是2015年的3.2倍之多。

這些裝置多以電池供電，電池更換是一大問題，交通大學電子工程學系副教授陳柏宏指出，「我們必須思考如何避免頻繁更換電池？畢竟人工更換成本極高，且有些裝置位於山高水深之處，更換極不便利，再者，廢棄電池造成的汙染也是一大隱憂。」

陳柏宏老師研究團隊近年致力於發展電源積體電路設計、能源擷取電路設計、無線電力傳輸設計、低功率電源積體電路等，研發創新的電路技術及系統架構，可將技術整合至物聯網裝置、穿戴式裝置、生醫電子裝置中，提升裝置能源效率及電池續航力。

多樣供電組合，為電源IC帶來挑戰

針對物聯網裝置的電池更換問題，解決之道包括：使用半永久式電池(壽命長達30年以上)；或是針對低功耗應用導入無需使用傳統電池的技術，例如環境擷能(太陽能)、溫度差發電、RF發電、振動發電等。

然而，上述這些無電池技術並不適用於具運算功能的較高功耗應用，「針對仍需採用電池的物聯網裝置，我們必須思考延長電池壽命的方式，其中，能夠永續利用的獵能技術成為延長電池壽命的重要技術，」陳柏宏進一步說明，「這些物聯網裝置有其工作及休眠週期，在運算工作期間採用傳統電池；休眠期間採用太陽能、溫度差、RF等輔助發電技術，且多出的電力甚至可充電至主電池，這樣的組合搭配是延長電池壽命的方法之一。」這樣的電源組合也為電源管理技術帶來新的挑戰。

全自動偵測，智慧調控輸入輸出

陳柏宏研究團隊的研究主題之一，是針對太陽能、溫度差發電及不同電源組合研發更具智慧的電源管理IC，使能源的利用更有效率，且電源IC本身必須具備低功耗特性。針對不同電源組合的管理，電源管理IC必須強化智慧調控多種電壓輸入及輸出的功能，「透過電源IC對傳統電池及太陽能等輔助電源進行調度及分配，可以確保高效率的電力使用。」陳柏宏說明。

陳柏宏及其團隊近期積極投入全自動偵測輸入電壓源技術的開發，「我們採用動態偵測方式，能在極短時間內判斷該從何處擷取能量，以及應該輸出至何處，且能達到高效能。」據了解，目前並未有太多研發團隊掌握此項技術。陳柏宏並且強調，「雖然是採用動態偵測技術，但是透過各種電路設計，此電源IC本身耗電並不會較一般電源管理IC高出太多，仍舊保持在合理的範圍內，可符合電源IC本身需保持低功耗的要求。」

輸入端複雜化，電源IC持續優化

以應用端驅動研發，針對光源照度較低的室內物聯網應用，陳柏宏及其團隊已完成應用平台，此平台是以太陽能電池做為主電源，溫度差發電則是輔助電源。

陳柏宏說明，「視應用的不同，電池的組合搭配可以非常多樣，可以是兩種技術組合，也可以是三種電池的組合，目前我們比較看好的是鋰電池、太陽能、溫度差發電這三者技術的組合搭配，可以有效降低物聯網裝置更換電池的頻率，甚至可以不再需要更換電池。」電池組合的多樣化造成輸入端的複雜度，這也就更凸顯全自動偵測技術的價值所在。

為解決物聯網裝置供電問題，許多創新供電解決方案持續被提出，不過限於供電功率仍偏小，實際應用仍未見普及。陳柏宏研究團隊持續投入電源管理IC技術的前瞻研究，隨著新型電池功率的提升，可望解決物聯網裝置供電問題，突破物聯網佈建的一大瓶頸。