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电源设计的终极目标就是“节能”

时间:2018-12-05 作者:Judith Cheng, EDN Taiwan 阅读:
“电”在电子工程的世界中理所当然是不可或缺的关键要素,而如何在设计各种电子产品时将电源做最有效的运用,好让系统运作能符合节能省电环保需求,或是更进一步延长便携设备电池续航力,成为电子工程师们的首要任务。

“电”在电子工程的世界中理所当然是不可或缺的关键要素,而如何在设计各种电子产品时将电源做最有效的运用,好让系统运作能符合节能省电环保需求,或是更进一步延长便携设备电池续航力,成为电子工程师们的首要任务。

为此,由台湾版电子工程专辑(EE Times Taiwan)与电子技术设计(EDN Taiwan)主办的年度TechTaipei系列“新时代电源管理设计与功率器件技术”研讨会,邀请到了业界专家从电机控制、系统功耗测量、移动设备电源系统设计、分立功率器件、变压器设计等等角度探讨最新技术趋势,并分享了最新的电源模块、散热材料与电源管理芯片(PMIC)等等相关解决方案。

无所不在的电机需要高效率控制技术

电机(motor)在我们的日常生活可见的各种电子设备中几乎无所不在,意法半导体(ST)技术营销经理林进裕表示,从小/中功率的电子玩具、便携式小家电/POS机,还有无人机、保全摄影机、喷墨/3D打印机…到大功率的生产在线机器人、工厂自动化设备等等系统内部都有电机设备,良好的电机控制对于系统的顺畅运作与节能省电至关重要,而不同种类的电机对控制方案的需求也各有不同。

林进裕指出,常用的电机主要分为直流(DC)电机、步进(Stepper)电机与直流无刷(Brushless DC,BLDC)电机。其中BLDC电机因为高可靠度、节能等特性已经成为主流技术,欧盟也将规定消费性电子如吸尘器、空气清净机家电等需要采用这类电机;而步进电机则强调稳定性与精准度,适用于如喷墨打印机、无人机等需要有稳定的成像、摄影效果的设备;DC电机最单纯,只有反转/正转两种模式,预期会逐渐被BLDC电机取代。

BLDC电机与步进电机需要不同的拓朴来支持不同转速与运转模式,而控制电机的运转就是一门学问,除了硬件技术也会需要以软件辅助;有鉴于大多数系统业者都会需要精简化的设计以缩小电路板占位面积,因此电机控制方案的高整合度也是必备条件。以ST的电机控制方案为例,结合微控制器(MCU)、电气隔离(galvanic isolation)、电机控制单元以及功率晶体管(MOSFET)等器件,策略是“不能SoC就SiP”,除了满足外观尺寸较小的终端设备需求,也能将支持的应用功率范围扩大,并能因此为客户节省原本在pcb设计上需要做的流程,也降低BOM成本。

深度功耗测量助力解决电量不足焦虑

要确保产品电源设计符合能效要求,或是改善现有设计以更进一步提升电源效率、延长续航力,是许多电子系统设计工程师正面临的挑战,特别是采用电池供电的设备;是德科技(Keysight)资深应用经理林昭彦表示,当物联网(IoT)时代来临,电池供电设备被预期的待机时间已经从几个小时,延长到几天、几周甚至是几个月,为了解决使用者“电量不足的焦虑”,工程师得从系统本身的低功耗以及电池容量两方面着手。

林昭彦指出,要达到系统运作的低功耗要靠关键模块/器件性能,以及硬件与软件功能之间的良好平衡;至于电池方面,由于电池技术本身演进速度相对较缓慢,期望电池容量能在短时间内有很大的突破并不切实际,因此借重优异的电池管理技术延长电池寿命(同时确保其安全性),以及能更方便补充电池电量的方法—例如快速/无线充电,是设计工程师们正在努力的方向。

若能精准掌握系统耗电与电池放电特性,就能找出问题所在并进行电源设计优化。在系统耗电测量方面,具备能支持不同类型设备测量弹性的电源分析仪会是关键工具;林昭彦举例指出,智能终端、IoT设备与AI设备、无线VR设备等,因为耗电模式变化范围大、动态脉冲电流持续时间短,需要采样速度快并能长时间测量;物联网通讯NB-IoT技术耗电则与讯号质量相关,会需要与基地台仿真器联机测量;还有智能手表的功耗测量需要在不同运作模式之下、并开启不同功能;无人机的耗电测量则是需记录从开机、连网、起飞到降落的整个耗电历程。

要进一步分析系统内各部位的耗电细节,则有电流波形分析仪可以帮上忙,将系统的功能区块分解,并利用探棒将焦点集中在最想了解的模块上,以达到精确的分析结果。在电池测量部分,如何在短时间准确测量长时间的电池工作寿命会是最大挑战,但这又是不易更换电池的IoT设备最需要的;对此林昭彦表示,新一代的电源分析仪能替代IoT模块对电池进行放电,并在一天之内完成需要预测十年运作时间的电池续航力评估,准确掌握电池的自放电特性,为IoT设备业者大幅节省产品开发时间、提升效益。

可穿戴设备电源系统设计趋势:开源节流

包括运动健身手环、智能手表,还有智能眼镜、VR游戏头盔等等可穿戴设备,随着多家品牌业者陆续在市场推出成功获得消费者青睐的产品,以及扩增/虚拟现实(AR/VR)技术的逐渐成熟,正持续扩张其市场版图。而穿戴设备的电源设计要求,与一般便携设备又有些许差异。

罗姆半导体(ROHM)台湾设计中心所长林志升表示,可穿戴设备的设计正朝着佩带舒适、美观外形设计、更长时间的电池寿命、多样化功能,还有流畅的控制接口——以AR/VR设备来说则是需要支持具临场感的沉浸式体验——等方向发展,因此对于器件的需求重点在于小型化、节能,还要具备精确的心率、血压测量与虹膜辨识等生物感测功能;此外可穿戴设备的电池设计也会是一大挑战,不仅需要比传统的钮扣电池尺寸更小,对于安全性与续航力的要求也更高。

为迎合可穿戴设备设计需求,ROHM除了有要求微型化的RASMID系列电阻与二极管器件,亦有要求低功耗的Nano系列电源IC。林志升指出,为达到低功耗目标的高阻值设计挑战在于会有漏电流、噪声敏感度与反应速度方面的问题;而希望反应速度越快,耗电量就会越高,需要在各种条件上折衷考虑并提供稳定的控制技术。ROHM的成功设计案例是与日本神户大学合作完成耗电量低于30μA的生物感测模块,只需要使用标准CR2032钮扣电池就能连续运作2周,这类模块可制作贴片型的医疗保健监测设备,让用户几乎感觉不到其存在。

除了“节流”,可穿戴设备的“开源”设计也很重要,例如以高效率无线充电技术让可穿戴设备在短时间内补充电力,或是利用能量采集技术达到免换电池的目标;在这方面ROHM能提供支持Qi标准的无线充电解决方案,亦有结合能量采集(压电、太阳能…)与超低功耗传感器、无线通信方案(EnOcean)的物联网平台,为各种应用环境摆脱线路羁绊。

USB PD 3.0+PPS变压器设计提升便携设备充电效率

随着USB Type-C接口规格逐渐普及,包括手机、平板电脑与笔记本电脑等在内的便携设备充电器“大一统”时代逐渐成形;而最新版的USB PD (Power Delivery) 3.0标准,因为加入了对可编程电源(PPS)技术的支持,不但有机会将目前市面上呈现多头马车的快充标准收归一体,也能对总线电压和电流进行精确调节,而实现更快速、安全又能维持电池“健康”的充电。

Power Integrations (PI)高阶营销经理李子俊表示,以智能手机电源为例,在充电时产生的温度上升很容易对电池造成损耗、使其寿命缩短;而纳入PD 3.0规格的手机充电变压器设计,能藉由电压(V)/电流(I)控制来管理手机电源,实现“冷”充电,解决发热带来的电池损耗问题。PI针对变压器应用推出的InnoSwitch3-Pro系列开关电源IC,采用可变频率反激式架构,支持同步整流、准谐振(QR)与连续/不连续导通(CCM/DCM)运作模式,具备精简化优势,能提供低功率、高可靠性的手机/便携设备变压器设计解决方案。

李子俊指出,InnoSwitch3-Pro的设计集成一次侧和二次侧控制,支持以I2C接口数字控制输出电压与电流,已通过安规认证;而该器件能实现精简化电路设计,能达到降低成本的效果。采用该芯片的多项设计也已经成功通过USB PD+PDD的兼容性测试,将为各种便携设备带来更快速、安全的充电解决方案。

多样化应用需求催生电源模块架构创新

以电池供电的小功率便携设备因为产品的多元化而对电源设计有五花八门的需求,而随着市场对节能环保议题的重视以及各种新应用的诞生,大功率电源架构也出现变化,包括输出范围越来越广、功率越来越高,以及对高效率、高功率密度、小体积与轻量化电源系统的需求。

Vicor现场应用工程师张仁程表示,市场对电源技术的要求越来越高,包括在功能与性能方面的表现,例如更有效的散热设计、远程遥控等等,「功能越多越好」成为常见的客户需求;还有电源系统的轻量化在以往并不那么被注重,现在则有更多客户对功率重量比(power to weight)有所要求。而他指出,数据中心与汽车内的电源架构正从12V逐渐转向48V,就能在许多方面提供优势,包括更高效益、节能与电源轻量化等等。

为因应多样化的应用需求,Vicor开发了创新的电源模块架构克服诸多挑战,例如针对支持AI、机器学习的高性能运算数据中心,利用合封电源(Power on Package)技术消除“最后一英寸”(the last inch)的功率损耗,还有小体积、高功率密度的数据中心专用AC-DC/HVDC-DC方案,以及针对接近处理器的电源应用实现低噪声、低高度电源设计的SAC拓扑架构。在散热设计方面,则有转换器级封装(ChiP)、具备双面散热外壳的VIA等创新技术;此外其三相AC前端电源模块与高集成度的前端负载点(POL)方案,都能为现代数据中心提升电源系统可靠度与功率密度。

新一代导热材料实现高可靠度车载电源应用

除了以低功耗器件、高效率电源系统为电子设备提供节能、稳定的电力,搭配电源系统的高效率导热方案也是让电子终端系统能顺畅、安全运作的关键要素。例如2004年成立、来自深圳的傲川科技,就锁定包括电动车车载电源、充电桩,以及工业电源、不断电系统(UPS)等应用,推出包括导热凝胶、导热垫片、绝缘片、硅脂、导热泥等各种型态的导热产品。

傲川科技联合创始人暨销售总监周晖表示,以往导热材料厂商都是以销售现成产品为主,但今日的终端产品对于导热材料的安全规格、耐受性等条件有更高的要求,再加上产品外观小型化需要节省系统内部空间,就会衍生定制化的创新解决方案。举例来说,手机导热材料原本已采用硅脂为主,但若涂层太厚会出现硅油渗出的现象、影响产品功能,导热泥就应运而生。在一些应用中,导热垫片也会有芯片无法承受的压力问题,因此导热凝胶就成为替代方案。

有鉴于采用电池动力的新能源汽车在中国市场越来越普及,对车载电源系统的散热需求也不断成长,傲川与中国多家新能源汽车业者合作,针对不同部位的电源设备提供多样化、可靠的导热解决方案,能保护车载电池的安全,甚至能因此提高电动车的能源效率、延长行驶里程数。周晖表示,该公司十分注重与客户的交流与沟通,能协助客户因应产业规格与标准的变化, 以节省成本并符合规范。

首创“共振反激式架构”旨在催生更小变压器

为将电源供应器的变压器进一步缩小,总部位于台湾、在美国拥有研发团队的AC-DC模拟电源IC芯片设计业者虹冠电子(Champion),特别邀请研发长黄新年从硅谷返台亲自介绍该公司即将推出的“共振反激式架构”Dr. Flyback电源转换器解决方案,此架构号称因为能在高压侧与低压侧的功率MOSFET实现零电压开关(ZVS),只需两颗MOSFET、一个小型电容、一个电感,简化的架构自然能让变压器尺寸更小。

黄新年表示,Dr. Flyback是“纯谐振”架构,与市面上的准谐振(QR)反激式转换器架构,以及有源箝位反激式(Active Clamp Flyback,ACF)架构转换器并不相同;Dr. Flyback是闭环,ACF架构则是开环,在高压侧会需要用到氮化镓(GaN) MOSFET,但Dr. Flyback只需应用超接面工艺高压MOSFET,两者一个像是“瘦子”,一个像是“胖子”,在成本与效率上显而易见(参考图1)。Dr. Flyback与能进一步提升效率的Dr. SR、Dr. Bridge器件,预期在正式问世之后,能催生更小巧、更具效益的电源系统变压器。

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图1 Dr. Flyback与ACF转换器架构比较。

电源管理大作战不可或缺的“小兵”

若说电源管理IC是在系统中节省功耗、提升效率的“主将”,包括MOSFET、IGBT、二极管以及电阻、电容、电感等等分立式功率器件,则是这场战斗中不可缺少的“小兵”;而针对不同的“战场”需求,各家功率器件供应商在“小兵”产品上的策略,就是提供多样化的选择,并要求高质量的生产。

例如Vishay就具备多样化的电容、电感与电阻产品阵容,以及低电压功率MOSFET、高集成度整流器IC等一系列电源器件;该公司应用工程师林军筑表示,Vishay有超过六成营收来自于对器件要求更严苛的车用与工业市场,在其他广泛应用领域也都有所着墨,能为客户满足不同电源系统设计上的需求。

而ST同样在分立式功率器件方面,也能提供多样化的工业与车用高规格解决方案;该公司大中华暨南亚区功率器件技术营销经理陈文聪表示,前面介绍过的ST电机驱动方案虽然以小功率为主,但在分立器件部分则从小功率到高功率系统都有相对应的解决方案。高压工艺的改善、器件可靠度的提升,都是分立功率器件的发展重点,而这些“小兵”的共同目标,就是为电子产品的高效率运作与节约能源贡献一己之力。

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