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善用猎能技术 突破物联网供电瓶颈

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交通大学电子工程学系副教授陈柏宏(中)与研究团队博士班学生吴仲祥(左)及硕士班学生林凯钧(右)。

物联网(IoT)串连各式各样的装置,数量之多令人咋舌,根据Strategy Analytics研究,至2017年底将有200亿个物联网和互联装置布署于全球,且未来4年内将再增加100亿个装置。另有研究机构数据显示,全球物联网装置的数量快速攀升,预计至2020年将有204亿个联网装置,是2015年的3.2倍之多。

这些装置多以电池供电,电池更换是一大问题,交通大学电子工程学系副教授陈柏宏指出,「我们必须思考如何避免频繁更换电池?毕竟人工更换成本极高,且有些装置位于山高水深之处,更换极不便利,再者,废弃电池造成的污染也是一大隐忧。」

陈柏宏老师研究团队近年致力于发展电源集成电路设计、能源撷取电路设计、无线电力传输设计、低功率电源集成电路等,研发创新的电路技术及系统架构,可将技术集成至物联网装置、穿戴式装置、生医电子装置中,提升装置能源效率及电池续航力。

多样供电组合,为电源IC带来挑战

针对物联网装置的电池更换问题,解决之道包括:使用半永久式电池(寿命长达30年以上);或是针对低功耗应用导入无需使用传统电池的技术,例如环境撷能(太阳能)、温度差发电、RF发电、振动发电等。

然而,上述这些无电池技术并不适用于具运算功能的较高功耗应用,「针对仍需采用电池的物联网装置,我们必须思考延长电池寿命的方式,其中,能够永续利用的猎能技术成为延长电池寿命的重要技术,」陈柏宏进一步说明,「这些物联网装置有其工作及休眠周期,在运算工作期间采用传统电池;休眠期间采用太阳能、温度差、RF等辅助发电技术,且多出的电力甚至可充电至主电池,这样的组合搭配是延长电池寿命的方法之一。」这样的电源组合也为电源管理技术带来新的挑战。

全自动侦测,智能调控输入输出

陈柏宏研究团队的研究主题之一,是针对太阳能、温度差发电及不同电源组合研发更具智能的电源管理IC,使能源的利用更有效率,且电源IC本身必须具备低功耗特性。针对不同电源组合的管理,电源管理IC必须强化智能调控多种电压输入及输出的功能,「透过电源IC对传统电池及太阳能等辅助电源进行调度及分配,可以确保高效率的电力使用。」陈柏宏说明。

陈柏宏及其团队近期积极投入全自动侦测输入电压源技术的开发,「我们采用动态侦测方式,能在极短时间内判断该从何处撷取能量,以及应该输出至何处,且能达到高效能。」据了解,目前并未有太多研发团队掌握此项技术。陈柏宏并且强调,「虽然是采用动态侦测技术,但是透过各种电路设计,此电源IC本身耗电并不会较一般电源管理IC高出太多,仍旧保持在合理的范围内,可符合电源IC本身需保持低功耗的要求。」

输入端复杂化,电源IC持续优化

以应用端驱动研发,针对光源照度较低的室内物联网应用,陈柏宏及其团队已完成应用平台,此平台是以太阳能电池做为主电源,温度差发电则是辅助电源。

陈柏宏说明,「视应用的不同,电池的组合搭配可以非常多样,可以是两种技术组合,也可以是三种电池的组合,目前我们比较看好的是锂电池、太阳能、温度差发电这三者技术的组合搭配,可以有效降低物联网装置更换电池的频率,甚至可以不再需要更换电池。」电池组合的多样化造成输入端的复杂度,这也就更凸显全自动侦测技术的价值所在。

为解决物联网装置供电问题,许多创新供电解决方案持续被提出,不过限于供电功率仍偏小,实际应用仍未见普及。陈柏宏研究团队持续投入电源管理IC技术的前瞻研究,随著新型电池功率的提升,可望解决物联网装置供电问题,突破物联网布建的一大瓶颈。