在當今「綠能環保」的趨勢下，打造能夠節約能源的智慧建築(不論是商業大樓、工廠或住宅)，將是確保節能結構的必要先決條件。對於商業建築而言，使其智慧化十分重要，因為節能建築可降低能源成本，並為工作人員提供高效的工作環境。
然而，為了達到此目的，這些建築物需要各式的基礎設施，以確保有效操作如加熱/冷卻系統、照明控制、空調控制等；這一切將仰賴物聯網(IoT)技術，如透過無線通訊技術或感測器作為監測和控制環境的方式，而半導體業者也趁勢推出相關解決方案。
能源管理入門要素 智慧照明不可或缺
英飛凌(Infineon)電源管理及多元電子事業處資深行銷經理張文貴(圖1)表示，燈光系統可說是人們進入到智慧建築後感受到的第一個環節，其耗電量也和空調系統並列為占建築物總耗能量的最大比重。因此智慧照明在提供舒適性和節能等照明管理上有相當大的發揮空間。
除了透過將照明裝置互聯，讓智慧照明提供遠端控制、診斷等照明管理功能外，新的趨勢是照明裝置將整合更多元的感測器，提供更多關於使用者體驗、安全監控的創新功能。例如在會議室的照明裝置中整合CO2感測器，用以偵測室內空氣品質及人數多寡，進而自動控制空調強弱、溫度、乃至於燈光強弱、色溫等，可大幅提升智慧建築的使用者體驗。
如上述，為滿足更多照明管理、使用者體驗與安全監控的需求，照明系統將整合更多的感測器，同時，透過感測融合(Sensor Fusion)多元感測器的搭配使用以提升偵測及事件判斷的準確度，也將推升智慧照明對於整合型感測器的需求。
照明裝置的尺寸空間不變，卻要整合更多感測器，對於其他元件的小型化需求也將日益升高。以往OEM業者多採用離散式電源管理IC，現今則轉為採用特定功能IC。為此，英飛凌也提供三合一調光IC「CDM10VD」，不僅省下10~20%空間，相較於DPAK或D2PAK封裝，採用SOT223封裝的MOSFET亦可縮小30~40%的電路板面積。
英飛凌電源管理及多元化市場(大中華區)人機互動市場部高級經理廖明頌則說明，在過往，照明裝置僅止於提供照明的功能，之後再加入一些感測元件也是圍繞著「照明管理」的主題，例如提供調光、監控光源是否閃爍，增加護眼功能，或是照明的節能控制等。這樣的傳統照明發展已達瓶頸，需要更多的突破性應用。
總而言之，照明是建築內最普遍建置，密度也最高的裝置之一。在過去，照明裝置的商業模式比較偏向銀貨兩訖的買賣方式。未來透過搭載各種感測器收集到大數據，並利用數據提供更多創新的加值服務，照明裝置將成為智慧建築的重要推動力。
同時，在照明控制應用中，不論在技術和材料方面都已取得相當進展，但該如何在高效和成本上取得平衡，將是落實智慧照明應用的最大挑戰。像是複合半導體材料如氮化鎵(GaN)能帶來更佳的電源效率與功率密度，同時縮小設計體積，雖然目前成本仍相對較高，就長遠來看，亦有機會應用於智慧照明，打造更高效的照明控制系統。而在進出人流變化大的建築，例如商場等，則可望藉由智慧人流監控、室內導航、商品優惠訊息推播等服務，以創新功能開創新的商業收益模式，刺激智慧照明需求的成長。
智慧能源管理走入尋常百姓家
構建能夠節約能源的智慧建築已成大勢所趨，不僅商辦大樓、工廠紛紛朝此一方向發展，包含家庭住宅也開始布建智慧能源管理架構，期能達到「淨零耗能住宅(Net Zero Energy House, ZEH)」之目標。
淨零耗能住宅意味著透過提高建築物與設備之節能性，減少空調、照明、換氣、熱水供應等能源消耗量；所謂零耗能並非完全不耗能，而是希望能源可自給自足，而要實現淨零耗能住宅，重點在於隔熱、省能源、創造能源三大要素。
目前各國政府正致力實現此一願景。像是日本政府於2016年公布的「地球溫暖化對策計畫」中，揭示住宅部門的減量目標。希望住宅的能源消耗於2030年度要較2013年度減量約40%，達成此目標的主要對策之一便是推動節能低碳住宅，目標2020年時，新建獨棟住宅有50%以上為淨零耗能住宅。
英國政府則是自2010年起開始推動新建住宅零耗能政策，預計於2016年使所有的新建住宅達到零耗能目標，而住宅以外的建築也要在2019年之前實現零耗能。而美國根據則歐巴馬內閣於2011年提出的「優越建築挑戰計畫(Better Buildings Challenges)」，訂出2040年50%商業建築須達到零耗能，並於2050年前全面達到零耗能的目標。
無線通訊技術扮能源管理要角
然而，要實現智慧住宅能源管理，首要的一步便是運用聯網技術，將安裝在建築物各處的感測器所收集的資訊傳輸至管理系統，再進一步的進行數據分析；也因此，無線通訊技術也是智慧建築不可或缺的關鍵要素之一。
羅姆(ROHM)半導體營業部課長李師誠(圖2)表示，無線通訊技術可說是百家爭鳴，有Zigbee、Wi-SUN、Wi-Fi、NB-IoT和藍牙(Bluetooth)等，而該公司目前主要以Wi-SUN作為主要技術布局智慧住宅能源管理市場。
李師誠進一步說明，Wi-SUN是由日本政府規範的Sub-GHz通訊協定，頻段介於922~928GHz，該通訊協定的最大優勢在於傳輸距離遠，若在空曠地區傳輸距離可達一公里之遠；另一方面，Wi-SUN也相當省電，因而相關產品的使用壽命也會較長久，可減少營運、維護成本。
據悉，目前日本政府已將Wi-SUN納入國家智慧電網布建計畫之中。在2017年底，已建置3,000萬台導入Wi-SUN通訊模組的智慧電表，並計畫在2024年換裝完成8,000萬台智慧電表。對此，李師誠認為，除了Wi-SUN本身所具備的優勢之外，日本政府的推動也有助於加速Wi-SUN的普及，Wi-SUN市場未來勢將持續成長。
看好Wi-SUN發展前景，羅姆也致力推出相關解決方案，像是表面安裝小型Wi-SUN模組「BP35C0」，該產品搭配920MHz頻帶無線通訊功能(RF)、微控制器、內建Wi-SUN用最佳大容量記憶體的LAPIS Semiconductor製無線通訊LSI「ML7416N」，可對應Wi-SUN Profile的B路徑和HAN，適合使用於HEMS控制器或各種家電。
李師誠說明，相較於Wi-Fi、NB-IoT、藍牙等，目前Wi-SUN的產品成本較高，這是較為弱勢的地方。不過，隨著日本政府大力推動Wi-SUN技術，並將其導入智慧電表應用，相信未來市場將會加速普及，其價格也會明顯下降。同時，羅姆目前也規畫在2019年推出新一代Wi-SUN模組，而模組中搭載自行研發的微控制器(MCU)和射頻(RF)元件，如此一來價格便可再進一步的調降，期能藉此提高市場接受度。
Silicon Labs Z-Wave IoT產品行銷經理Johan Pedersen則指出，閘道器和雲端數量將持續是智慧住宅的支柱，為此，該公司近期也收購Z-Wave技術。該技術包括可互操作智慧產品生態體系，且可與該公司旗下智慧型無線硬體和軟體產品結合。該產品組合包括Wi-Fi、Zigbee、Thread、藍牙、專有協議以及目前的Z-Wave，使客戶能針對各種不同類別的領域開發智慧家庭產品，應用產品包含集線器和閘道器、感測器、門鎖、智慧照明、恆溫器、警報器、牆壁插座、安全面板等。
然而，除了無線通訊技術之外，感測器也是實現智慧住宅的關鍵元件之一。Pedersen說明，具有機器學習能力的強大IoT「物件(Things)」將承擔更多的數據和分析任務。透過AI支援，這些新感測器將為零散的數據點提供解譯，而使情境感知更具意義。
因應能源管理需求 電源IC效能更精進
智慧建築整合通常將連結HVAC、照明和電表系統，然而，要能最佳化供電效率、減輕熱應力，最重要的是使雜訊和布線與元件間的交互作用達到最小。為了達到這些目的，設計者對於切換開關電源內電流傳導路徑和訊號流動的了解便顯得相當關鍵。
ADI電源產品總監Tony Armstrong(圖3)指出，一個切換開關電源供應電路可被切分成功率級電路和小訊號控制電路，功率級電路包含傳導高電流的元件，一般而言，這些元件應該先被擺入，接著才將小訊號控制電路放入布局中特定位置。大電流布線應短且寬，以最小化PCB電感、電阻和電壓降，此對於流通高di/dt脈衝電流的導線特別關鍵。
舉例而言，在一個無使用外部散熱片的表面黏著功率MOSFET和電感的設計中，必須具有足夠的銅箔面積來進行散熱，對於DC電壓節點，如輸入/輸出電壓和電源地，則最好是能將銅箔面積鋪設的盡可能的大，多重灌孔有助於進一步降低熱應力。對於高dv/dt開關節點，開關節點合適銅箔面積的設計必須在最小化dv/dt相關雜訊和MOSFET良好散熱之間有所取捨。
Armstrong進一步說明，長期以來，線性穩壓器一直得到業界的廣泛採用。在切換開關模式電源於1960年代後成為主流之前，線性穩壓器曾經是電源業界的基礎；即使在今天，線性穩壓器仍然在眾多的應用中廣為使用。
除了簡單易用之外，線性穩壓器還擁有其他的性能優勢。Armstrong指出，電源管理供應商開發了許多整合型線性穩壓器。典型的整合式線性穩壓器只需要VIN、VOUT、FB(反饋)和任選的GND針腳。不過，採用線性穩壓器的一個主要缺點，是其運行於線性模式之串聯電晶體可能會造成過大的功率耗散。因此，非常清楚的是，線性穩壓器(或LDO)僅可提供降壓DC-DC轉換。
也因此，包括ADI在內的許多IC製造商都在不斷設計新的IC，在某些情況下還可以設計模組，其可以簡化電源，無論其轉換拓撲如何；並且同時提供增強熱性能以最小化熱設計應力的特性，還可以顯著降低EMI，使得它們不會與已完成系統內的其他雜訊敏感電路產生干擾。
總而言之，智慧建築將改變人們的生活與工作環境，而物聯網技術的興起，不僅促進智慧建築發展，同時也強化了智慧建築能源管理效率，像是使用感測器進行溫度控制、使用執行器進行HVAC控制、為建築物提供完整的能源自動化等；半導體業者也為此推出相關解決方案，運用更多物聯網技術以有效地管理和控制這些精心設計的智慧建築。
