物联网爆发 电源市场迎来新的春天

发布日期:2014-10-16 16:40,查看次数:1063

随着当今电子技术的发展,电脑、智能手机、平板电脑逐渐普及,为我们的生活增添了不少乐趣和方便,然而我们的地球却面临着环保问题。新式电子产品已不能再循以往的电源设计方式,能有电源可以恣意挥霍;工程师们必须得斤斤计较,设计出高功率、高能效的电源供应单元,让各式3C、家电、物联网应用等产品,能够发挥最佳的用电效果…

物联网是种概念 连接万物真方便

本论坛一开始,由群光电能(Chicony Power)科技处长蔡宪逸先生,以“物联趋势下之电源管理技术发展”为本次论坛做开场白。他以物联网的趋势下,来说明电源管理技术日趋重要。

有关物联网(Internet of Things;IoT)的概念,最早是由比尔盖兹在1995年出刊的The Road Ahead (拥抱未来)一书所提到,像是个人身上有个3C产品,万一不慎搞丢或忘记放到哪里,要如何找到它。这是当时最早的物联网概念。

随后在2005年ITU(International Telecommunication Union;国际电信联盟)所发布的“The Internet of Things”报告中,首度提到这个名词,其架构就是透过RFID/感测器与网际网路的结合,来构成物与物之间可以互相连结、且让人可以控制与监测的一种网路,IoT属于一种概念,而非一种技术。

物联网的架构,涵盖“人与人”、“人与物”和“物与物”三大范畴,而当今无所不在的网路也将推动“物联网”快速成长。例如CTIMES预估到2020年,全世界将有超过500亿个连网装置,而Forrester Research也预估到2015年,美国市场的产值将达3,500亿美元;在2020年之前,物联网市场将成长30倍。由此可见,物联网的市场商机无限。

物联网无所不在 智慧生活更愉快

蔡宪逸表示,在物联网的应用中,例如智慧电网(Smart Power Grid),就是可以利用数位电表,透过感测、量测、记录等方法,来监视、监控各种电器电子产品的用电状态。其好处是可以藉由分析各电器电子产品的用电记录,来规划出尖峰与离峰用电状态,进而避开用电尖峰时段,平均分配各电器电子产品的用电时间,以达到节约用电,同时亦可提升电力系统稳定度与可靠度。

在医疗应用方面,个人透过各式穿戴式装置建立出PAN/BAN(个人/身体区域网路),然后透过网路方式连接到医院,将个人健康与病历资讯与医院做连结,在身体健康时,人们可以在日常生活作息上,获得个人量身订做的健康资讯。若生病时,医生亦可透过远距医疗,以及各式穿戴产品的帮助,提供病人第一线的医疗照护。

简单来说,物联网的应用,包括了:智慧家居(安全、保全、节能、健康照顾、舒适等)、智慧大楼(保全、节能、人员管理、资产管理等)、智慧工厂(自动化生产、设备管理、资产管理、保全、节能、人员管理等)、智慧商场(电子标签、智慧购物车等)、智慧城市(交通、能源、物流、环境保护、消防、公共安全、食品安全、健康照顾等)、节能减排(再生能源、智慧电网、电/水/气/热等智慧抄表)、高龄化社会(远距健康照顾、老人安养、社区、居家)、智慧农业、养殖业、环境保护、监控等等,牵涉到各行各业。

上述的各项物联网应用中,很多都包含到智慧应用、节能应用,因此工研院在2014年喊出我们将进入所谓的Smart everywhere (智慧无所不在)的新时代,许多新的电器电子都将具备智慧功能。例如Smart UPS (智慧不断电系统,如APC公司于2000年就推出这类产品,可自动监控电压、电池容量等功能,并可透过PC通知使用者)、Smart Phone (智慧型手机)、Smart TV(智慧电视)、Smart Watch (智慧手表)、Smart Home (智慧家庭)、Smart Factory (智慧工厂,如各式感测器、摄影机、自动化、消防安全、人员管理等设备,协助工厂营运与管理更加安全与方便)、Smart Power Grid (智慧电网)、Smart City (智慧城市)。

由于IoT的应用,将推升智慧应用从个人、家庭到社会,甚至扩展到地球上的全人类,因此IBM早在2009年就提出Smart Earth (智慧地球)的概念,预估将来地球上所有的人事物都将串连在一起,达到Smart Everywhere的境界。

物联网节约用电 智慧应用方实现

物联网可以分成5个区块,包含了Sensor(感测)、Network(网路)与Analytics(分析)、Storage(储存)、Application(应用)等部份,以达到全面感知、可靠传递、智慧处理的目的。而资策会2010年将物联网分成3层,从下到上依序是“感知层”、“网路层”以及“应用层”。

当然,要实现物联网的目标,节能用电可说是非常重要,蔡宪逸举例Apollo 13电影情节,由于太空舱失去所有电力,因此必须依靠登月小艇的电力来维持生命,在求生过程中也提到Power is everything!(电源主导一切!)。因此,在电的世界里,有电虽不是万能,但没电则却是万万不能。

物联网电源开发 各种技术一把抓

当今电源供应器(PSU)市场,包含了消费性电子、电脑周边、工业电子、网路通信、照明、电动车、绿能发电等7大范围;而物联网时代,PSU的发展可分成两大区块:1. 符合产业标准,如EMC、Safety安规、NEBS等,或者2. 因应市场需求/客制需求,如高功率密度、小体积、高能效、低成本、智慧用电等。

蔡宪逸列出各国安规,除了EMC、各国安规标准之外,还有许多能源组织在制定新的法规,例如美国有EPA(环保局)、ECOS(美国环境委员会)、The Green Grid(绿色网格联盟)、能源之星等,欧盟也有Lot 6与电池充电器和外接电源等规范。

在安规、法规部份,如能源之星、欧盟Lot6都有严格的电源效率规范,而The Green Grid在各PSU的80 PLUS节能标准中,也严格制定铜、银、金、白金、钛金各等级的效能要求,其中钛金还规范到10%负载时,必须具备90%的电源转换效能。

在市场需求部份,高功率密度的产品有其吸引力,如FINsix公司2014年发表Dart(号称世界最小的65W笔电变压器),采MIT的VHF(非常高功率)的专利设计,比苹果的体积还小4倍。

在智慧用电方面,有PMbus的通讯介面标准,定义各种PSU的共通语言,可监测PSU内部各种输出/入的电压/电流、风扇转速等状态,以及过压、过电流等保护措施等监控,让PSU迈向Smart化。

至于数位控制部份,也开始透过外加的MCU(微控制器)来提供监测、保护、通讯等需求,包含AC侧也要可监控,甚至再结合PWM控制功能,以达成全数位化之要求。例如TI (德仪)就有这样的产品方案,提供稳定且智慧的电源方案。

在PSU的现有技术上,行动装置相关的就有DC/DC整流技术的各种产品,像是LDO稳压器,SIMO(单输入多输出),以及Constant ON time (恒定时间),V2控制器等技术。

至于提升效率的现有技术,可采用SR(同步整流,减少传导耗损)、QR(准谐振,以软式切换技术,来减少硬体切换时的耗损)、Interleaved Flyback(交替返驰式;提升满载时效率)、Bridgeless(无桥式电路;改善导通耗损)与LLC谐振转换(提供零电压切换、降低EMI(电磁干扰)与元件应力、免输出电感、可整合变压器与谐振电感)等技术,来提升效率。

在空载与低载的节电设计技术上,可采用线性频率降低或爆发模式,来改善切换与驱动损耗。

至于改善EMI部份,可透过Jitter来降低切换频率的能耗,另以主动式EMI过滤器,可取代传统体积大的共模电感,以改善整体EMI。

在提高功率密度方面,电源管理IC将周边各功能电路纳入设计,可有效缩减零件数目,其他各零组件强调电源模组化(Integrated Power Electronics Modules;IPEM),尤其在磁性元件部分。

另外,新材料GaN(氮化镓)具低反向回复电流特性,且制成与MOS相似,具成本优势,可使用GaN(氮化镓)来代替矽材料,除有效改善效率外,也可提高功率密度。

而未来在无线充电技术部份,有分成接触点式与非接触点式。目前有WPC与PMA联盟所主导的磁感应式充电,只可短距离充电,另A4WP联盟则以磁共振式充电,距离可以较远,但效率较低。各阵营也互相合作,来提升充电效率。

总之,各式电源供应产品,将往更轻薄短小、高效率、低成本且具备物联网的智慧功能之趋势发展。


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