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物联网应用产品的电源设计困扰

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发表于 2017-12-7 19:29:38 |显示全部楼层
 对于智能手表等等的穿戴式产品以及物联网设备,在电力部分达到低耗电目标、不需要经常进行烦人的充电动作、以及能够确保在随心所欲使用下有足够的电源,是关系到产品被信任度及价值性的关键问题。
  就目前来说,无论是振动、温差、太阳能等等,利用自然现象的发电技术,虽然能够及时补充所需的电力,但是由于期望穿戴式产品,或物联网设备在重要时刻不会突然出现电力中断而带来致命性问题的话,电源管理设计相对地就会变得非常重要。
  大多的电源电路、电子电路、充电电池以及家用的交流电电源等,都是以能够提供稳定的电源输出来提供所需电力为前提而进行各种技术的开发,由于像前述利用自然现象的发电技术,因为是在相当低的电压下来取得非常不稳定的电力,因此相对应的电源技术就显现出其必要。
  新制程出现,硅电源半导体逐渐居于相对性的劣势
  就一般而言,AC-DC转换器、DC-DC转换器、逆变器等等,皆是由电源控制电路、电源组件(IGBT及电源MOSFET等)、闸极驱动(Gate Driver)、隔离器(isolator)等等所组成。但就目前其中的电源半导体来说,像是SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)等等的新一代电源。
  组件相当的备受注目。使用这些电源半导体的话,不仅仅能够获得更高的电源转换效率之外,同时也能够达到小型、轻量化的目的。
  事实上,在工业用设备、车辆、绿色能源设备等等方面已经开始被应用,而达到电源的高效率化以及小型化。另一方面,也可以感受到现有硅电源半导体逐渐居于相对性的劣势,但是就仅仅因为这样,而一味的改用新一代电源组件的话,或许也不是非常的适当。在最近,特别是绝缘闸双极晶体管(IGBT)的出现相当显著的改善,由于在内部结构的改善以及制程更趋向细微化之下,可以感受到已经达到电力浪费的降低,以及转换效能有明显提升的结果。
图1 : 更高的效率追求下SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)将成为新一代电源主流组件
  因此,借助更先进的结构设计与制程技术,在提高IGBT等等的硅电源半导体之后,在为了更高的效率追求下,并非只能舍弃硅电源半导体组件而改采用SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)等新一代电源组件。
  利用数字可编程找出最佳电压波形
  此外,闸极驱动(Gate Driver)的部分,则是由放大器电路(Amplifier)以及晶体管开关(Switching transistor)等所组成。再由IGBT的闸极来接连闸极驱动的输出,再透过驱动讯号来对IGBT的开或关进行控制,而在其中最为重要的就是驱动讯号的波形。
  对于波形的稳定度来说,会直接的影响电源的转换效率(电力耗损)以及噪讯是否过大。例如波形因为变换效率增强而出现急遽上升的话,电流波形将会出现瞬间过冲(Overshoot)使得噪讯增加。
  因此在这个时候,一般而言,电源设计者就会在连接IGBT和闸极驱动之间的电路增加电阻,来调整转换效率以及噪讯的权衡(trade-off),但是能够调整参数只有为了阻抗值而已,很少数的情况下才有机会达到效率的调整。
  从闸极驱动(Gate Driver)所输出驱动讯号的波形如果能够被数字可编程,这样的话,就能够随意地设定波形的细致度。
  举例来说,利用4个或8个Time Segment,针对每个Time Segment都提供独立的64阶可调设电压。在最初的Time Segment突然间设定高电压的话,就能达到快速攀升的驱动讯号,反之,在最初设定低电压后,在Time Segment增加的电压值则会缓慢上升。这样的驱动讯号波形的设定弹性相当高,如果是4个Time Segment时,就能够有64阶乘上4个Time Segment,总共有1677万个组合,就能够在有限的人力资源下找到最佳的波形。
图2 : 将输出驱动讯号的波形利用数字可编程,就能随意地设定波形的细致度
  如何稳定的供应物联网产品驱动电力所需
  以目前的应用市场而言,能够连上网络的设备或产品,每年销售户新型态产品都呈现急速的增加,另一方面,这类型产品的开发趋势,也就愈来越小型化以及随身化。就像是可携式的医疗设备,包括了常见的测量用传感器、再演进到可埋入身体的心律调整器或人工内耳助听器等,只要在身体上所放置的这类型产品具有无线功能,就能够自动连接上网络。
  但是,无论是穿戴式或是可埋入身体的这些产品具有联网功能,而被称之为物联网产品都具有相同的一个研发课题,那就是如何稳定的供应产品所需要的驱动电力。
  这些穿戴式产品在使用时的舒适感会直接影响购买的欲望,因此在外观上,经常会被设计成轻薄短小,或是依赖加入更多的各类型传感器来达到人性化的目的。不过由于是这样的目的,使得担负电力供应的电池体积就会被局限在一定的范围之内,或者是被设计成使用者无法自行更换,因此就必须附加令人讨厌的充电电源线,如果一旦无法有效进行电源消耗管理的话,势必会让使用者用一段时间后就必须进行充电的动作。
  例如,可联网的义肢等产品,如果是正在进行联网动作无法中断,而又出现电力不足时,这时就需要接上充电电源线,但是一般的电源线在使用上,例如长度或转折的地方,都会对使用者造成一定程度的不舒适感。
  低电压将影响组件反应速度
  因此,在长时间使用无法自行更换电池的物联网终端时,半导体组件的低电压化与低耗电化技术就显得非常重要。特别是采用1V以下低电压电源的半导体组件驱动技术,以及利用自然现象发电的产品。
  以目前来说,1.2V电压驱动的CMOS电路的电源电压大多降到0.3V,虽然耗电的部分可以减少到1/1000,但反应速度也变慢了100倍。这样一来,虽然能源的效率增加了10倍,但也影响了产品的效能。不过,由于低电压的影响所造成反应速度变慢,在这一方面,或许可以考虑采用分时同工或多核心来作为弥补,达到低电压化的基本结构。
  当然,我们也知道,也不能单纯一味地降低电压,因为现阶段的半导体芯片,除了逻辑电路之外,也持续的加入个组件电路,例如包括内存、AC-DC变压器、无线电路等,基本上这些都能够靠1V的供电电压下,驱动所有的功能性电路区块。不过,当驱动电压降到了0.5V的时候,这时内建在芯片里的各个功能性电路就会出现程度不一的变化,因此能够提供满足各种功能电路区块的电压,就成了一项不可或缺的考虑和工作,这时面对各种电压要求下,多电压电源供应也就成了单芯片必要的能力之一。
图3 : 提供满足各种功能电路区块的电压,是未来研发时不可或缺的考虑和工作
  例如,在单一芯片内需要10种不同电压电源供应的话,或许就必须准备10种不同的外部电源,这对于使用者来说是相当不方便的,这也就促进了多电源电路的单芯片化和低耗电化的技术研发,就像英特尔的Core架构的第四代产品Haswell(开发代号),在其单芯片的内部就采用了13种不同电源电压。
  无线OnChip电源电路
  采用自然现象发电技术,须考虑极度不稳地电压输入的条件
  在面对技采用自然现象发电技术的物联网产品时,在供电的电源电路方面,就必须考虑极度不稳地电压输入的条件,这时升压电路就会变得非常重要。
  例如,在面对利用体温和室温的温差发电,或者是太阳能发电的产品上,发电输出电压大约是100mA左右或者更低,这时如果需要让驱动电压为1V的组件动作的话,就必须依赖强大的升压电路。对于这样的需求,市场上的功率芯片业者就提供了相对应的产品,例如可以支持20mV的升压功率组件,但是在为了完成整体电源电路结构时,还必须考虑使用1对100的变压器等外部附加的组件,来达到让用户不必担心电力问题而随心所欲的使用穿戴式等等的物联网产品。
图4 : 让使用者不必担心电力问题而随心所欲的使用穿戴式产品,对电源设计来说是相当严峻的考验。


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