物联网装置的电源系统设计
- DIGITIMES企划
-
物联网与穿戴式装置的种类繁多，其电源系统需求会以高效率低耗能及共通化的架构来发展。ROHM提供完整的有线与无线充电解决方案，并推广能源采集相关技术，以协助客户开发出更臻完美的电源管理系统…
ROHM(罗姆)半导体设计中心副所长林志昇(Chris Lin)先生，以「物联网装置的电源系统」为主题，介绍IoT的定义与电源系统趋势需求、两大充电技术、IoT/穿戴式装置的电源使用案例，以及ROHM在IoT的应用解决方案。
有关「物联网」的定义，就是将各种内建传感器的「物体」，透过无线或有线的方式来串连起来，并可透过网络来监控，处理并分析信息，以带来更安全与舒适的生活。IoT算是比较广泛的说法，其包含近年来流行的各种智能应用，像是智能工厂、智能家庭等，穿戴式装置应用也算是IoT的领域内；至于人体侦测则包括IoT与穿戴式装置，因此逐渐衍生出IoU(Internet of YOU)的说法。
IoT与穿戴式装置的电源需求与电源技术
当今电源模块与电源系统的趋势，在于高效率与3R。前者就是供电高效率化，因为每年有50亿个电器产品售出，若每个产品都减少1瓦的能耗，就相当于可减少50亿瓦的用电，相当于5座核电厂；而政府在节电产品也制定不少规范，包括美国能源部的Level 6规范、欧盟Lot 7等规范。而后者则是与环境保护相关，这3R就是Reuse(可再利用)、Reduce(节省使用)、Recycle(可回收)，将电器产品的电源模块共通化，以减少电子废弃物的产生。
以IT设备来看各种电源管理的产品与应用范围，有充电器、电源管理IC等等，至于无线或有线充电则是按照产业规范来进行。而能源采集则是针对低功率移动设备或物联网的电源设计。ROHM几乎涵盖了上述各式IT/IoT/穿戴式产品的电源技术，提供完整的电源解决方案与产品组合。
USB Type-C Power Delivery有线充电技术标准化 将有助供电系统改善
运用有线充电的产品非常多，但因为各IT/CE产品的电压与电流规格不同，产生出多种不同规格的变压器与充电器，连接头也不统一，使用者带出门时，不仅占空间、增加重量，也造成资源的浪费。2013年底USB-IF协会发表的USB Type-C插头与排线标准，除有更快传输速度，其PD(电源供应)规范也提升到3A(标准排线)、5A(接头或E-marker排线)，并具可正反插设计，就是希望藉由USB充电规格统一标准化，来减少产业废弃物。由于各大厂都纷纷推出USB Type-C的3C产品，而业界也看好Type-C将成为主流。
传统的用电模式，例如大家电都是直接连接AC电源使用，而小家电与移动设备则是搭配外接或者内建的AC转DC变压器使用；至于像是遥控器、闹钟、麦克风、计算机等小型电子装置，则是使用乾电池，没电就更换的方式。
有线充电(USB PD)与无线充电技术的普及，将改变人们的生活型态。大家电保持不变，但小家电、IT设备、办公室设备、移动设备等等，都可透过USB PD来供/充电；甚至用小型电子装置/穿戴式装置，还可以透过无线充电的方式，让生活更加方便。
此外，搭配蓄电池方式的供电系统模式下，USB PD在直流电力(DC)供应上也可扮演角色，来供应居家内所有使用DC且小于100瓦的固定式家电，由于此可以消除个别电器分别的AC/DC转换电路的需求，不仅减少电源转换的能源损失，让供电更有效率且更方便，达到更环保的节能省碳效果。
ROHM提供的USB Type-C PD系列IC，有对应DC转USB供/充电、AC转USB PD供电、DC转USB PD供电等应用的产品，可帮助客户设计各式供/充电产品。
无线充电需求将爆发 有助于改变用电习惯
IHS研究显示，当前无线充电市场趋势，以2015年成长幅度最高，2016~2017年则是大量出货的关键年。目前市场上的无线充电技术以磁感应(MI)、磁共振(MR)两种技术为最成熟(电容耦合、电磁波技术仍属开发研究阶段)，可应用在公共区域、车载应用等。甚至可以扩大到大电力，包括工控，发电供电等的应用。
目前无线充电的主要标准有：WPC (Qi)以及PMA与A4WP合并而成的AirFuel。 现阶段WPC与PMA采用是磁感应技术，A4WP采用磁共振技术。在充电效率部份，WPC在5W的Low Power及15W的Medium Power已制定规范。而PMA则有5W、A4WP则有6W的规范，合并成Air Fuel后也会朝更高瓦数的规范进行。至于NFC联盟则是针对3W以下的充电技术进行讨论。
ROHM提供完整的无线充电技术。其供电端参考设计板已通过Qi v1.2.0认证测试，为世上第一个Qi认证之Medium Power供电器。
穿戴式节电研究成果与IoT相关应用产品
由于功耗越来越被重视，尤其穿戴式装置的用电更是锱铢必较。因此ROHM在日本机构NEDO启动的Normally-Off Computing Activities的专案中，ROHM与神户大学合作，针对穿戴式装置在健康监测应用上所进行的节能方面进行Normally-Off概念的节电研究。其成果是将原本耗电量需要200µA的产品，在导入on Volatile Devices的应用以及演算法的改良等之新技术之后，可降低到38µA。
此外，在能源采集方面，EnOcean联盟有发展出运用此技术的各种无线传感与通讯技术；ROHM更是EnOcean在亚洲的Promoter，提供各式低功率无线传输的免电池电源设计的推广应用。
ROHM提供各式LSI产品，协助客户应用在消费性、车载、工业领域。而在IoT应用产品则提供MEMS、Magnetic、Photodiode、压电类的各式感应器，搭配ASIC、无线技术，来协助客户建构完善的传感网络，此外还有节电技术，适合穿戴式装置，更推出体积更小、更省电的电子元件，在微型化系统中发挥最高效益。
