物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)時代 電源管理技術會如何發(fā)展！

隨著當今電子技術的發(fā)展，電腦、智能手機、平板電腦逐漸普及，為我們的生活增添了不少樂趣和方便，然而我們的地球卻面臨著環(huán)保問題。新式電子產(chǎn)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(lián)網(wǎng)應用等產(chǎn)品，能夠發(fā)揮最佳的用電效果…

物聯(lián)網(wǎng)是種概念 連接萬物真方便

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(lián)趨勢下之電源管理技術發(fā)展”為本次論壇做開場白。他以物聯(lián)網(wǎng)的趨勢下，來說明電源管理技術日趨重要。

有關物聯(lián)網(wǎng)(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(chǎn)品，萬一不慎搞丟或忘記放到哪里，要如何找到它。這是當時最早的物聯(lián)網(wǎng)概念。

隨后在2005年ITU(International Telecommunication Union;國際電信聯(lián)盟)所發(fā)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(wǎng)際網(wǎng)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(jiān)測的一種網(wǎng)路，IoT屬于一種概念，而非一種技術。

物聯(lián)網(wǎng)的架構，涵蓋“人與人”、“人與物”和“物與物”三大范疇，而當今無所不在的網(wǎng)路也將推動“物聯(lián)網(wǎng)”快速成長。例如CTIMES預估到2020年，全世界將有超過500億個連網(wǎng)裝置，而Forrester Research也預估到2015年，美國市場的產(chǎn)值將達3,500億美元;在2020年之前，物聯(lián)網(wǎng)市場將成長30倍。由此可見，物聯(lián)網(wǎng)的市場商機無限。

物聯(lián)網(wǎng)無所不在 智慧生活更愉快

蔡憲逸表示，在物聯(lián)網(wǎng)的應用中，例如智慧電網(wǎng)(Smart Power Grid)，就是可以利用數(shù)位電表，透過感測、量測、記錄等方法，來監(jiān)視、監(jiān)控各種電器電子產(chǎn)品的用電狀態(tài)。其好處是可以藉由分析各電器電子產(chǎn)品的用電記錄，來規(guī)劃出尖峰與離峰用電狀態(tài)，進而避開用電尖峰時段，平均分配各電器電子產(chǎn)品的用電時間，以達到節(jié)約用電，同時亦可提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定度與可靠度。

在醫(yī)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(qū)域網(wǎng)路)，然后透過網(wǎng)路方式連接到醫(yī)院，將個人健康與病歷資訊與醫(yī)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(yī)生亦可透過遠距醫(yī)療，以及各式穿戴產(chǎn)品的幫助，提供病人第一線的醫(yī)療照護。

簡單來說，物聯(lián)網(wǎng)的應用，包括了：智慧家居(安全、保全、節(jié)能、健康照顧、舒適等)、智慧大樓(保全、節(jié)能、人員管理、資產(chǎn)管理等)、智慧工廠(自動化生產(chǎn)、設備管理、資產(chǎn)管理、保全、節(jié)能、人員管理等)、智慧商場(電子標簽、智慧購物車等)、智慧城市(交通、能源、物流、環(huán)境保護、消防、公共安全、食品安全、健康照顧等)、節(jié)能減排(再生能源、智慧電網(wǎng)、電/水/氣/熱等智慧抄表)、高齡化社會(遠距健康照顧、老人安養(yǎng)、社區(qū)、居家)、智慧農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、環(huán)境保護、監(jiān)控等等，牽涉到各行各業(yè)。

上述的各項物聯(lián)網(wǎng)應用中，很多都包含到智慧應用、節(jié)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(tǒng)，如APC公司于2000年就推出這類產(chǎn)品，可自動監(jiān)控電壓、電池容量等功能，并可透過PC通知使用者)、Smart Phone (智慧型手機)、Smart TV(智慧電視)、Smart Watch (智慧手表)、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(xié)助工廠營運與管理更加安全與方便)、Smart Power Grid (智慧電網(wǎng))、Smart City (智慧城市)。

由于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(lián)網(wǎng)節(jié)約用電 智慧應用方實現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)可以分成5個區(qū)塊，包含了Sensor(感測)、Network(網(wǎng)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(lián)網(wǎng)分成3層，從下到上依序是“感知層”、“網(wǎng)路層”以及“應用層”。

當然，要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的目標，節(jié)能用電可說是非常重要，蔡憲逸舉例Apollo 13電影情節(jié)，由于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，在電的世界里，有電雖不是萬能，但沒電則卻是萬萬不能。

物聯(lián)網(wǎng)電源開發(fā) 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、電腦周邊、工業(yè)電子、網(wǎng)路通信、照明、電動車、綠能發(fā)電等7大范圍;而物聯(lián)網(wǎng)時代，PSU的發(fā)展可分成兩大區(qū)塊：1. 符合產(chǎn)業(yè)標準，如EMC、Safety安規(guī)、NEBS等，或者2. 因應市場需求/客制需求，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(guī)，除了EMC、各國安規(guī)標準之外，還有許多能源組織在制定新的法規(guī)，例如美國有EPA(環(huán)保局)、ECOS(美國環(huán)境委員會)、The Green Grid(綠色網(wǎng)格聯(lián)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(guī)范。

在安規(guī)、法規(guī)部份，如能源之星、歐盟Lot6都有嚴格的電源效率規(guī)范，而The Green Grid在各PSU的80 PLUS節(jié)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(guī)范到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(chǎn)品有其吸引力，如FINsix公司2014年發(fā)表Dart(號稱世界最小的65W筆電變壓器)，采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(jiān)測PSU內部各種輸出/入的電壓/電流、風扇轉速等狀態(tài)，以及過壓、過電流等保護措施等監(jiān)控，讓PSU邁向Smart化。

至于數(shù)位控制部份，也開始透過外加的MCU(微控制器)來提供監(jiān)測、保護、通訊等需求，包含AC側也要可監(jiān)控，甚至再結合PWM控制功能，以達成全數(shù)位化之要求。例如TI (德儀)就有這樣的產(chǎn)品方案，提供穩(wěn)定且智慧的電源方案。

在PSU的現(xiàn)有技術上，行動裝置相關的就有DC/DC整流技術的各種產(chǎn)品，像是LDO穩(wěn)壓器，SIMO(單輸入多輸出)，以及Constant ON time (恒定時間)，V2控制器等技術。

至于提升效率的現(xiàn)有技術，可采用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(jié)電設計技術上，可采用線性頻率降低或爆發(fā)模式，來改善切換與驅動損耗。

至于改善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(tǒng)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(shù)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，且制成與MOS相似，具成本優(yōu)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(lián)盟所主導的磁感應式充電，只可短距離充電，另A4WP聯(lián)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(chǎn)品，將往更輕薄短小、高效率、低成本且具備物聯(lián)網(wǎng)的智慧功能之趨勢發(fā)展。