物聯趨勢下之電源管理技術發展
- DIGITIMES企劃
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過去30年的PC發展講求效能的提升，在摩爾定律的IC製程進化之下，使得PC的效能與功能都大大提升。如今，資訊化確實為人類生活帶來不少便利性，然而在地球暖化日趨嚴重，加上環保意識抬頭之下，新式電子產品已不能再循以往的電源設計方式，能有電源可以恣意揮霍；工程師們必須得斤斤計較，設計出高功率、高能效的電源供應單元，讓各式3C、家電、物聯網應用等產品，能夠發揮最佳的用電效果…
本論壇一開始，由群光電能(Chicony Power)科技處長蔡憲逸先生，以「物聯趨勢下之電源管理技術發展」為本次論壇做開場白。他以物聯網的趨勢下，來說明電源管理技術日趨重要。
有關物聯網(Internet of Things；IoT)的概念，最早是由比爾蓋茲在1995年出刊的The Road Ahead (擁抱未來)一書所提到，像是個人身上有個3C產品，萬一不慎搞丟或忘記放到哪裡，要如何找到它。這是當時最早的物聯網概念。
隨後在2005年ITU(International Telecommunication Union；國際電信聯盟)所發布的「The Internet of Things」報告中，首度提到這個名詞，其架構就是透過RFID？感測器與網際網路的結合，來構成物與物之間可以互相連結、且讓人可以控制與監測的一種網路，IoT屬於一種概念，而非一種技術。
物聯網的架構，涵蓋「人與人」、「人與物」和「物與物」三大範疇，而當今無所不在的網路也將推動「物聯網」快速成長。例如CTIMES預估到2020年，全世界將有超過500億個連網裝置，而Forrester Research也預估到2015年，美國市場的產值將達3,500億美元；在2020年之前，物聯網市場將成長30倍。由此可見，物聯網的市場商機無限。
物聯網無所不在 智慧生活更愉快
蔡憲逸表示，在物聯網的應用中，例如智慧電網(Smart Power Grid)，就是可以利用數位電錶，透過感測、量測、記錄等方法，來監視、監控各種電器電子產品的用電狀態。其好處是可以藉由分析各電器電子產品的用電記錄，來規劃出尖峰與離峰用電狀態，進而避開用電尖峰時段，平均分配各電器電子產品的用電時間，以達到節約用電，同時亦可提升電力系統穩定度與可靠度。
在醫療應用方面，個人透過各式穿戴式裝置建立出PAN/BAN(個人？身體區域網路)，然後透過網路方式連接到醫院，將個人健康與病歷資訊與醫院做連結，在身體健康時，人們可以在日常生活作息上，獲得個人量身訂做的健康資訊。若生病時，醫生亦可透過遠距醫療，以及各式穿戴產品的幫助，提供病人第一線的醫療照護。
簡單來說，物聯網的應用，包括了：智慧家居(安全、保全、節能、健康照顧、舒適等)、智慧大樓(保全、節能、人員管理、資產管理等)、智慧工廠(自動化生產、設備管理、資產管理、保全、節能、人員管理等)、智慧商場(電子標籤、智慧購物車等)、智慧城市(交通、能源、物流、環境保護、消防、公共安全、食品安全、健康照顧等)、節能減排(再生能源、智慧電網、電？水？氣？熱等智慧抄錶)、高齡化社會(遠距健康照顧、老人安養、社區、居家)、智慧農業、養殖業、環境保護、監控等等，牽涉到各行各業。
上述的各項物聯網應用中，很多都包含到智慧應用、節能應用，因此工研院在2014年喊出我們將進入所謂的Smart everywhere (智慧無所不在)的新時代，許多新的電器電子都將具備智慧功能。例如Smart UPS (智慧不斷電系統，如APC公司於2000年就推出這類產品，可自動監控電壓、電池容量等功能，並可透過PC通知使用者)、Smart Phone (智慧型手機)、Smart TV(智慧電視)、Smart Watch (智慧手錶)、Smart Home (智慧家庭)、Smart Factory (智慧工廠，如各式感測器、攝影機、自動化、消防安全、人員管理等設備，協助工廠營運與管理更加安全與方便)、Smart Power Grid (智慧電網)、Smart City (智慧城市)。
由於IoT的應用，將推升智慧應用從個人、家庭到社會，甚至擴展到地球上的全人類，因此IBM早在2009年就提出Smart Earth (智慧地球)的概念，預估將來地球上所有的人事物都將串連在一起，達到Smart Everywhere的境界。
物聯網節約用電 智慧應用方實現
物聯網可以分成5個區塊，包含了Sensor(感測)、Network(網路)與Analytics(分析)、Storage(儲存)、Application(應用)等部份，以達到全面感知、可靠傳遞、智慧處理的目的。而資策會2010年將物聯網分成3層，從下到上依序是「感知層」、「網路層」以及「應用層」。
當然，要實現物聯網的目標，節能用電可說是非常重要，蔡憲逸舉例Apollo 13電影情節，由於太空艙失去所有電力，因此必須依靠登月小艇的電力來維持生命，在求生過程中也提到Power is everything！(電源主導一切！)。因此，在電的世界裡，有電雖不是萬能，但沒電則卻是萬萬不能。
物聯網電源開發 各種技術一把抓
當今電源供應器(PSU)市場，包含了消費性電子、電腦週邊、工業電子、網路通信、照明、電動車、綠能發電等7大範圍；而物聯網時代，PSU的發展可分成兩大區塊：1. 符合產業標準，如EMC、Safety安規、NEBS等，或者2. 因應市場需求？客製需求，如高功率密度、小體積、高能效、低成本、智慧用電等。
蔡憲逸列出各國安規，除了EMC、各國安規標準之外，還有許多能源組織在制定新的法規，例如美國有EPA(環保局)、ECOS(美國環境委員會)、The Green Grid(綠色網格聯盟)、能源之星等，歐盟也有Lot 6與電池充電器和外接電源等規範。
在安規、法規部份，如能源之星、歐盟Lot6都有嚴格的電源效率規範，而The Green Grid在各PSU的80 PLUS節能標準中，也嚴格制定銅、銀、金、白金、鈦金各等級的效能要求，其中鈦金還規範到10%負載時，必須具備90%的電源轉換效能。
在市場需求部份，高功率密度的產品有其吸引力，如FINsix公司2014年發表Dart(號稱世界最小的65W筆電變壓器)，採MIT的VHF(非常高功率)的專利設計，比蘋果的體積還小4倍。
在智慧用電方面，有PMbus的通訊介面標準，定義各種PSU的共通語言，可監測PSU內部各種輸出？入的電壓？電流、風扇轉速等狀態，以及過壓、過電流等保護措施等監控，讓PSU邁向Smart化。
至於數位控制部份，也開始透過外加的MCU(微控制器)來提供監測、保護、通訊等需求，包含AC側也要可監控，甚至再結合PWM控制功能，以達成全數位化之要求。例如TI (德儀)就有這樣的產品方案，提供穩定且智慧的電源方案。
在PSU的現有技術上，行動裝置相關的就有DC/DC整流技術的各種產品，像是LDO穩壓器，SIMO(單輸入多輸出)，以及Constant ON time (恆定時間)，V2控制器等技術。
至於提升效率的現有技術，可採用SR(同步整流，減少傳導耗損)、QR(準諧振，以軟式切換技術，來減少硬體切換時的耗損)、Interleaved Flyback(交替返馳式；提升滿載時效率)、Bridgeless(無橋式電路；改善導通耗損)與LLC諧振轉換(提供零電壓切換、降低EMI(電磁干擾)與元件應力、免輸出電感、可整合變壓器與諧振電感)等技術，來提升效率。
在空載與低載的節電設計技術上，可採用線性頻率降低或爆發模式，來改善切換與驅動損耗。
至於改善EMI部份，可透過Jitter來降低切換頻率的能耗，另以主動式EMI過濾器，可取代傳統體積大的共模電感，以改善整體EMI。
在提高功率密度方面，電源管理IC將周邊各功能電路納入設計，可有效縮減零件數目，其他各零組件強調電源模組化(Integrated Power Electronics Modules；IPEM)，尤其在磁性元件部分。
另外，新材料GaN(氮化鎵)具低反向回復電流特性，且製成與MOS相似，具成本優勢，可使用GaN(氮化鎵)來代替矽材料，除有效改善效率外，也可提高功率密度。
而未來在無線充電技術部份，有分成接觸點式與非接觸點式。目前有WPC與PMA聯盟所主導的磁感應式充電，只可短距離充電，另A4WP聯盟則以磁共振式充電，距離可以較遠，但效率較低。各陣營也互相合作，來提升充電效率。
總之，各式電源供應產品，將往更輕薄短小、高效率、低成本且具備物聯網的智慧功能之趨勢發展。
