技術探勘

TSN管理網路流量更順暢 TSN的其中一個組成部分是管理模型，能夠管理和引導網路上的流量串流，並且能夠配置IEEE通訊協定系列，以便在同一個網路上成功運作。TSN可比擬為鐵路系統，網路管理模型類似於處理列車(資料)交通的鐵路訊號系統，因此列車(承載)能夠抵達目的地而不會相撞。如IEEE P802.1Qcc通訊協定中所述，有三種可能的管理模型，包括完全集中模型、完全分散模型和部分集中模型。 在完全集中的模型中，終端裝置與集中管理實體進行關於串流要求的通訊。然後，集中管理實體使用這些要求來計算網路串流的必要調度，以滿足這些需求，並隨之配置交換器和終端裝置(也就是比擬中的火車站)。 在完全分散的模型中，發起方向接受方 (通常是終端裝置)提供開放串流，而且終端裝置上的應用程式會通知網路元件保留特定串流所需的資源。這種方法不需要中央管理實體。 雖然在部分集中模型中存在集中管理實體，但是在轉發到集中管理實體之前，來自終端裝置的資料會透過標準化通訊協定傳遞到最近的橋接。換句話說，部分集中式模型中的集中式管理實體僅管理各個網路流量串流和資源，而毋須在全域層級處理來自每個終端裝置的串流需求或承載資料。 根據IEEE 802.1CB通訊協定的定義，「區域網路和都會網路的標準：達到可靠性的訊框複製和消除」，TSN串流識別會運用幾種不同的方法來識別串流。這些方法包括目標MAC地址和VLAN識別碼、來源MAC地址和VLAN識別碼等等。此外，串流識別用於計算透過網路的特定串流的資料流以及處理容錯的備援路徑。 完全集中模型管理流量最直接 雖然完全集中的網路管理模型不是處理時效性網路中流量的唯一方法，但該模型是說明目的的三種方法之中最直接的一種。 如前所述，完全集中的網路管理模型具有執行兩個關鍵角色的集中管理實體。如圖1所示，這些功能由集中使用者配置(CUC)和集中網路配置(CNC)表示。 圖1　完全集中的時效性網路模型，是最直接處理時效性網路中流量的方法。 如圖1所示，完全集中的TSN模型包括下列五個元件： 終端站(發起方和接受方)：這些終端裝置運作需要時間關鍵的確定性通訊的應用程式，並做為透過TSN系統傳輸的乙太網路訊框來源(發起方)和目的地(接受方)。 橋接(乙太網路交換器)：TSN橋接是乙太網路交換器，用於發送和接收包含時間關鍵型通訊串流的乙太網路訊框。硬體可由任何供應商開發，但必須能夠根據嚴格同步的排程傳輸訊息。 集中使用者配置(CUC)：中央使用者配置是供應商特定的應用程式，能夠與CNC和終端裝置進行通訊。CUC代表控制應用程式和終端站，要求與CNC進行確定性通訊。  中央網路配置(CNC)：中央網路控制器是供應商特定的應用程式，可促進網路上控制應用程式的確定性訊息傳遞，並訂定計劃傳輸所有時間關鍵資訊串流，然後部署到啟用TSN的橋接(乙太網路交換器)。 時間關鍵資訊串流：在TSN模型中發起方和接受方之間傳遞的資訊包括時間關鍵「串流」。TSN模型中的發起方和接受方之間的每個時間關鍵資訊串流由終端裝置唯一標識，而且有嚴格的時間要求，須要對於確定性訊息傳遞確實遵循。 相較於僅分別處理單一需求或網路功能的完全分布式或部分集中式模型，完全集中式TSN模型使用集中方法來表示「使用者需求」和「網路功能」，以便自動整合整個系統的所有元件。雖然完全集中的模型有助於改進整合，但是須要更複雜的計算以確保更好的網路運用率。最後，使用者選擇的TSN模型取決於應用的特定需求，而且不屬於TSN任務群組制定的IEEE標準的範圍。不過，由於每個模型和應用程式中部署的特定技術和通訊協定可以由任何供應商提供，因此顯然需要獨立供應商和其他產業組織來填補這片空白。 TSN為IIoT/工業4.0提供高確定性網路 TSN技術為標準乙太網路上的確定性網路提供可擴展、可預測的方法。但是，由於TSN不僅僅是一個工具，而是一個全面的解決方案，系統整合商最終必須仰賴獨立供應商和多種通訊協定來滿足每個工業應用的特定需求。這種困境正是互通性為確保成功採用TSN的關鍵所在。最後，採用TSN的統一基礎架構從根本上需要在兩個關鍵方面實現互通性(圖2)： 圖2　完整的工業自動化互通性通用架構具第二層互通性。  1.對於第2層網路和訊息傳遞達到TSN相容的通用結構。 2.跨越整個網路的多個通訊協定進行通訊的通用語義。 體認到工業4.0的效益和未來的智慧製造，全球標準組織、工作小組和獨立供應商正在努力建立共同的基礎架構，並展現互通性，以便機器對機器協作、行動裝置的資料存取和更多的應用得以實現。 做為確定性乙太網路標準，TSN本質上是電腦網路的開放系統互連(OSI)模型中的第二層技術。第二層也稱為資料鏈結層，其中包含轉發乙太網路訊框的技術。為了滿足工業4.0對低延遲網路即時通訊的需求，雖然已經達到高網路負載的穩定性，以及資訊技術(IT)和操作技術(OT)的融合資料傳輸，但是，許多乙太網路交換器製造商和產業組織仍然採用IEEE開發的開放TSN標準。 透過與其他乙太網路交換器領導供應商合作，Moxa對於符合IEEE 802.1 TSN標準而且滿足未來需求的解決方案實施確定性乙太網路通訊，直接為第二層技術的開發做出貢獻。藉由Moxa等製造商提供的TSN規格乙太網路交換器，系統整合商可以滿足工業4.0的高頻寬即時需求，而毋須更改現有的應用程式。此外，這些製造商可以簡單地使用標準IEEE乙太網路交換器來完成這些工作，甚至可以將「隨插即製」裝置加入到融合網路中。實際上，TSN規格乙太網路交換器可為IIoT和工業4.0應用提供高確定性網路，其效能與傳統專用系統相當。除了達到可擴展性、彈性、高頻寬和高可用性之外，TSN乙太網路交換器在部署和維護方面具有成本效益。 除了提供用於建立符合TSN標準的統一基礎架構的標準乙太網路硬體之外，Moxa也積極參與跨廠商TSN插拔大會(電子設備設計人員測試其產品與其他製造商的產品之間技術標準互通性的活動)和世界各地的測試台。Moxa已加入四個插拔大會/測試台，分別是德國的邊緣運算聯盟(ECC)、美國的工業網際網路聯盟(IIC)、德國的(Labs Network Industrie 4.0, LNI)和中國的工業互聯網產業聯盟(AII)。透過參與這些插拔大會/和測試台，Moxa可以嚴格測試TSN與其他供應商產品的互通性，並確保開發的實作方式在上市前穩定可靠。 即使未來「自制金字塔」中的裝置可以由獨立供應商開發，每個裝置也必須能夠與系統中的每個其他元件進行通訊，而不僅僅是第二層裝置進行通訊，才能充分實現工業物聯網的效益。除了消除隔離傳統第二層自動化孤島的障礙之外，成功的TSN實施也需要跨層的通訊協定互通性，才能實現更靈活的拓撲結構，並為工業應用開創新的機會。 例如，世界各地的產業組織，包括CC-Link合作夥伴協會(CLPA)、EtherCAT技術集團(ETG)、乙太網路 Powerlink標準化組織(EPSG)、機械工程產業協會(VDMA)、開放DeviceNet供應商協會(ODVA)、Profibus和Profinet International(PI)等等，均針對OPC統一架構(OPC UA)和配套規格進行整併，藉以實現不同供應商和標準之間的通用語義。 OPC UA配套規格允許現有機器透過不同通訊協定進行通訊的公司對應到OPC統一架構，藉以實現IIoT通訊。事實上，EtherCAT、MTConnect、Profinet、Sercos、Powerlink等等已經完成對OPC UA配套規格的對應。OPC UA配套規格提供一種表示不同工業通訊協定的方法，其中資訊通常以不同格式建立為共用通用語言。透過這種方式，來自不同供應商的機器可以實現互通性，而毋須立即放棄現有系統和通訊協定。 雖然OPC UA配套規格為機器互通性提供中間解決方案，但新的計劃是對於從現場到雲端的所有層級應用運用OPC UA做為通用平台，無論是水平層級還是垂直層級。由於OPC UA可用於完整描述複雜系統和語義，因此工業自動化應用可以運用OPC UA實現「原生」通訊協定互通性，並結合TSN技術的支援。例如，如果世界上的每個人說同一種語言，沒有人會在與其他人溝通時需要字典。實際上，無需在不同通訊協定之間進行轉換即可實現無縫互通性，顯然有助於促使產業組織和獨立供應商為未來的工業自動化支援通用語言。 透過採用統一的網路基礎架構，可以實現從廠區的感測器、傳動器、機器和控制器到雲端的雙邊IIoT資料通訊，而不會減損工業控制/自動化的效能。仍然，擴大整合和互連也會導致工業系統面臨網路安全風險。 但是，製造商不應該由於風險而避免採用IIoT技術，並放棄時效性網路優於標準乙太網路的優勢。所幸，國際電工委員會(IEC)也正在制定工業網路和系統安全的全球標準，例如IEC 62443。因此，選擇這些先進技術可以支援未來IIoT網路的統一架構，並對於運用工業4.0和數位化轉型帶來的機會減少面臨的風險。 無論是透過提供產品即服務來提高資產運用率，還是尋求新的商機，目前的數位化轉型浪潮都有望在未來幾年內徹底改變製造業。但是，充分運用工業物聯網的能力需要高頻寬、低延遲、確定性的網路，才能實現工業控制系統的即時通訊。 如今，時效性網路的問世表示標準乙太網路技術能夠提供確定性服務，突破盡力傳送式通訊的傳統限制。透過TSN，製造商不再須要透過專用通訊協定和控制系統將應用侷限於自動化孤島中。工業應用反而可以期待一個未來的大時代，全新的雙邊通訊流程將超越傳統普渡模型的水平和垂直隔閡。實際上，隨著國際標準組織和裝置供應商持續針對TSN進行整併，標準乙太網路技術已經準備就緒，必將成為IIoT時代工業網路的未來基礎。 (本文作者為MOXA產品經理)

我們可以學著瞭解設備發出的正常聲音為何，如此當聲音出現變化時，才可以確認其已經出現了異常；之後再瞭解是什麼問題，而透過這樣的方式將聲音和特定的問題聯繫在一起。識別異常可能需要進行幾分鐘的訓練，但將聲音、振動和原因結合起來實施診斷可能需要一輩子的時間。經驗豐富的技工人員和工程師可能具備這種知識，但這類人屬於稀有資源，單單透過聲音本身識別問題可能相當困難，即使使用錄音、描述性框架或接受專家親自培訓也是如此。 因此，半導體業者在過去20年裡，一直致力於理解人類是如何解讀聲音和振動的，期能建立一個系統，能夠學習來自設備的聲音和振動，並解譯它們的含義，以檢測異常行為、進行診斷。本文將以ADI的OtoSense體系結構為例進行說明，OtoSense是一種設備健康監測系統，支援我們所說的電腦聽覺，讓電腦能夠理解設備行為的主要指標：聲音和振動。 該系統適用於任何機器設備，可以即時工作，無需網路連接。目前已被應用於工業應用，可支援實現一個可擴展的高效設備健康監測系統。為了保證耐用、不可知且高效，OtoSense設計理念秉持幾個指導原則： ．從人類神經學中獲得靈感，人類可以透過一種非常節能的方式學習和理解他們所聽到的任何聲音。 ．能夠學習靜態聲音和瞬態聲音，這需要不斷調整功能和持續實施監測。 ．在靠近感測器的終端進行識別，應該毋須透過網路連接遠端伺服器來做出決策。 ．與專家互動，向他們學習，前提是盡可能避免干擾他們的日常工作，且過程要盡可能愉悅。 本文探討了引導開發OtoSense的原則，以及在設計OtoSense期間，人類聽覺所發揮的作用。之後，將進而討論聲音或振動特性的是如何被設計出來的、如何從這些特性瞭解其代表的意義，以及在持續學習中如何不斷改變和改進OtoSense，用於執行愈加複雜的診斷，且結果更為精準。 人類聽覺系統對照OtoSense解析 聽覺是一種關乎生存的感覺。它是對遙遠、看不見的事件所產生的整體感覺，在出生前就已成熟。人類感知聲音的過程可以藉由四個熟悉的步驟來描述：聲音的類比擷取、數位轉換、特徵提取和解讀。在本文每個步驟中，都會將人耳與OtoSense系統來進行比較。 首先是類比擷取和數位化。中耳中的膜和槓桿捕捉聲音，然後調整阻抗，將振動傳輸到充液腔道中。在那裡，另一層膜會根據訊號中存在的光譜成分選擇性地移位；而這反過來彎曲了彈性單元，這些單元發出數位訊號，反映出彎曲程度和強度。然後，這些單獨的訊號會透過按頻率排列的平行神經傳遞到初級聽覺皮層。 在OtoSense中，這項工作由感測器、放大器以及轉碼器來完成。數位化過程使用固定的採樣速率，可在250Hz和196kHz之間調節，波形以16位元編碼，然後儲存到大小為128到4096之間的緩衝區。 特性提取則發生在初級皮層。頻率域特性，如主頻率、諧波和頻譜形狀，以及時間域特性，如脈衝、強度變化和在大約3秒時間窗內的主要頻率成分。OtoSense則使用一個時間窗，我們稱之為「塊(Chunk)」，它以固定的步長移動。這個塊的大小和步長範圍為23毫秒到3秒，具體由需要識別的事件和在終端提取特性的取樣速率決定。在下一節中，會根據OtoSense提取的特性進行更詳細地解釋。 而解析發生在聯絡皮層，它融合了所有的感知和記憶，並賦予聲音以含義(比如透過語言)，在塑造感知期間扮演核心作用。解析過程會組織我們對事件的描述，遠遠不止是對它們進行命名這麼簡單。為一個項目、一個聲音或一個事件命名可以讓我們賦予它更大、更多層的含義。對於專家來說，名字和含義能讓他們更能理解周圍的環境。 這也是為何OtoSense與人的互動始於基於人類神經學的視覺、無監督的聲音映射。OtoSense利用圖形表示所有聽到的聲音或振動，它們按相似性排列，但不嘗試創建固定分類；這讓專家們能夠組織螢幕上顯示的各組，並為它們命名，而毋須嘗試人為創建有界線的類別。他們可以根據自身的知識、感知和對OtoSense最終輸出的期望構建語義地圖。對於同樣的音景，汽車機械師、航空工程師，或者冷鍛壓力機專家，甚至是研究相同領域，但來自不同公司的人員，都可以按不同的方式進行劃分、組織和標記。OtoSense則與塑造語言意義一樣，使用相同的自下而上的方法來給定意義。 聲音/振動/特性選擇原則 經過一段時間(如之前所示，時間窗或塊)，我們會給某個特徵分配一個單獨的編號，用於描述該時間內聲音或振動的給定屬性/品質。OtoSense平台選擇特性的原則如下： 1.對於頻率域和時域，特徵都應該盡可能完整地描述環境，提供盡可能多的細節。它們必須描述靜止的嗡嗡聲，以及咯噠聲(Clicks)、嘩啦聲(Rattles)、吱吱聲(Squeaks)和任何瞬間變化的聲音。 2.特徵應盡可能按正交方式構成一個集合。如果一個特徵被定義為「塊上的平均振幅」，那麼就不應該有另一個特徵與之高度相關，例如「塊上的總光譜能量」。當然，正交性可能永遠無法實現，但不應將任何一種表述為其他特徵的組合，每種特徵都必須包含單一資訊。 3.特性應該最小化計算量。我們的大腦只知道加法、比較和重置為0。大多數OtoSense特性都被設計成增量，如此每個新示例都可以透過簡單的操作來修改特性，而不需要在完整的緩衝區，或者，更糟糕的，在塊上重新進行計算。最小化計算量還意味著可以忽略標準物理單元。例如，嘗試用值(以dBA為單位)表示強度是沒有意義的。如果需要輸出dBA值，則可以在輸出時完成(如果有必要時)。 在OtoSense平台的2~1,024個特性中，有一部分描述了時域。它們可以是直接從波形中提取，或者是從塊上任何其他特性的演化中提取。在這些特性中，有些包括平均振幅和最大振幅、由波形線性長度得到的複雜度、振幅變化、脈衝的存在與否和其特性、第一個和最後一個緩衝區之間相似性的穩定性、卷積的超小型自相關或主要頻譜峰值的變化。 在頻域上使用的特性提取自FFT。FFT在每個緩衝區上計算，產生從128~2,048個單獨頻率的輸出。然後，該過程創建一個具有所需維數的向量，該向量比FFT小得多，但仍能細緻地描述環境。 OtoSense最初使用一種不可知的方法在對數頻譜上創建大小相同的資料桶。然後，根據環境和要識別的事件，這些資料桶將重點放在資訊密度高的頻譜區域，要麼是從能夠熵最大化的無監督視角，要麼是從使用標記事件作為指導的半監督視角來判斷。這類比了我們的內耳細胞結構，在語言資訊密度最大的地方，語音細節更密集。 支援終端/本地資料OtoSense實現即時檢測 OtoSense在終端位置實施異常檢測和事件識別，其毋須使用任何遠端設備。這種結構確保系統不會受到網路故障的影響，且毋須將所有原始資料塊發送出去以進行分析。運行OtoSense的終端設備是一種自包含(Self-contained)系統，可以即時描述所監聽設備的行為(圖1)。 圖1　OtoSense系統。 運行AI和HMI的OtoSense伺服器一般託管在本地。雲端架構可以將多個有意義的資料流程聚合成為OtoSense設備的輸出。對於一個專門處理大量資料並在一個網站上與數百台設備交互的AI來說，使用雲端託管的意義不大。 運用兩種策略進行異常檢測 正常/異常評估毋須與專家進行太多交互。專家只需要幫忙確定表示設備聲音和振動正常的基線。然後，在推送給設備之前，先將這個基線在Otosense伺服器上轉換為異常模型。然後，我們使用兩種不同的策略來評估傳入的聲音或振動是否正常。 第一種策略是我們所說的「常態性」，即檢查任何進入特性空間的新聲音的周圍環境、它與基線點和集群的距離，以及這些集群的大小。距離越大、集群越小，新的聲音就越不尋常，異常值也就越高。當這個異常值高於專家定義的門檻時，相應的塊將被標記為不尋常，並發送到伺服器供專家查看。第二種策略非常簡單，任何特性值高於或低於特性定義的基線的最大值或最小值的傳入塊都被標記為「極端」，並發送到伺服器。 異常和極端策略的組合良好地涵蓋了異常的聲音或振動，這些策略在檢測日漸磨損和殘酷的意外事件方面也表現出色。 從特徵到事件識別　OtoSense要與人類密切互動 特徵屬於物理領域，而含義屬於人類認知；如果要將特徵與含義聯繫起來，則是需要OtoSense AI和人類專家之間展開互動。 我們花了大量時間研究客戶的回饋，開發出人機介面(HMI)，讓工程師能夠高效地與OtoSense互動，設計出事件識別模型。這個HMI允許探索資料、標記資料、創建異常模型和聲音識別模型，並測試這些模型。 OtoSense Sound Platter(也稱為Splatter)允許透過完整概述資料集來探索和標記聲音。Splatter在完整的資料集中選擇最有趣和最具代表性的聲音，並將它們顯示為一個混合了標記和未標記聲音的2D相似性地圖(圖2)。 圖2　OtoSense Sound Platter中的2D splatter聲音地圖。 任何聲音或振動，包括其環境，都可以透過許多不同的方式進行視覺化，例如，可以使用Sound Widget(也稱之為Swidget)(圖3)。 圖3　OtoSense sound widget(Swidget)。 在任何時候，都可以創建異常模型或事件識別模型(圖4)。事件識別模型是一個圓形的混淆矩陣，它允許OtoSense用戶探索混淆事件。 圖4　可以基於所需的事件創建事件識別模型。 另一方面，異常可以透過一個顯示所有異常和極端聲音的介面，進行考察以及標記(圖5)。 圖5　在OtoSense異常視覺化介面中，聲音分析隨時間的變化。 OtoSense的設計初衷是向多位專家學習，並且隨著時間推移，進行越來越複雜的診斷。常見過程是OtoSense和專家之間的迴圈： 1.異常模型和事件識別模型都是在終端運行。這些模型為潛在事件發生的概率以及它們的異常值創建輸出。 2.超出定義門檻的異常聲音或振動會觸發異常通知。使用OtoSense的技術人員和工程師可以檢查該聲音和其前後聲音資訊。 3.然後，這些專家會對這個異常事件進行標記。 4.對包含這些新資訊的新識別模型和異常模型進行計算，並推送給終端設備。 簡而言之，OtoSense技術旨在使聲音和振動專業知識在任何設備上都持續可用，且毋須連接網路來執行異常檢測和事件識別。在航空航太、汽車和工業監測應用中，相關技術已經被越來越廣泛地用於設備健康監測，而這表示，在曾經需要專業知識，以及涉及嵌入式應用的場景中，尤其是對於複雜設備而言，該技術都表現出了完善的性能。 (本文作者為ADI OtoSense內部產品開發主管)

而所謂的記憶體內處理器(Processor In Memory, PIM)(圖1)，或稱記憶體鄰近處理器(Processor Near Memory, PNM)、記憶體內運算(In-Memory Compute, IMC)等，則是在晶片電路設計時即以記憶體的矩陣記憶電路為基礎，再行加搭起運算電路，使記憶與運算電路幾乎融為一體。 圖1　左圖為現行處理單元與記憶體間有讀寫(Fetch提取、Store存入)的瓶頸，右圖為PIM作法可消除運算與儲存間的傳輸瓶頸。 資料來源：IBM PIM作法過去曾在上世紀90年代倡議過但未能成為潮流，但隨著人工智慧(AI)、機器學習(ML)、深度學習(DL)的興起，產業界重新評估與發展PIM技術及晶片，原因主要在於現行主流技術在運算效能提升上漸遭遇多項瓶頸，難以因應日益增高的深度學習運算量。 首先是晶片設計團隊逐漸難從處理單元的邏輯設計上獲得更高效能，因此IBM POWER(Performance Optimization With Enhanced RISC)架構處理器於1999年首次運用持續推進的半導體製程縮密技術，於單一晶片實現雙核心，以增加核心數獲取顯著效能提升，2005年AMD於x86架構上實現雙核，自此處理器紛改以增加核數為主要效能提升手段。 多核作法之後亦遭遇瓶頸，即處理單元(核)間的資料交換不夠快速，溝通協調成為運作瓶頸，因此改進晶片內外的連接傳遞方式成為重點，此時經常出現晶片商強調結構織法(Fabric)一詞。 改善連接結構後仍有其他問題需解決，因漏電流因素晶片運作電壓難以再下降，即便晶片放入更多的核，也無法讓所有的核均全速運作，因供電散熱之限只允許部份的核全速運作，部份之外的核須以降速、輕負荷方式運作，或暫時關閉停止運作，此稱為暗矽(Dark Silicon)限制，當製程技術持續提升，晶片內的核數愈多，暗矽限制也會更嚴重(圖2)。 圖2　電路運用率撞牆，暗矽效應阻礙使多核處理器無法全速運作。 資料來源：Michael Bedford Taylor 另外記憶體與處理器間的傳輸通道也難以更快，記憶體電路區塊與處理單元區塊有別的結果，傳遞過程必然有一段電路距離，因電路上的寄生電容因素而難以更快速傳遞，形成馮紐曼瓶頸(Von Neumann Bottleneck)，半導體製程縮密技術讓記憶體容量愈來愈大，但進出處理單元的資料通量卻沒有相應的提升。 深度學習運算量大增　PIM技術動向受矚目 而如前述，深度學習需要的運算量不斷提高，特別是在支援自駕車應用上，2017年NVIDIA提出自駕車運算平台DRIVE PX PEGASUS，宣稱合併兩張DRIVE PX PEGASUS可獲得320TOPS(8位元整數)的人工智慧推論運算力，目標在於支援ADAS標準最高的Level 5自駕層級，即各種路況與情境下均能全程自動化駕駛不需人為介入，然代價是500瓦功耗，對汽車電瓶亦是不小負荷。 由於傳統方式提升運算(特別是深度學習運算)效能日益困難，因此產業開始嘗試回望PIM技術。PIM技術因記憶電路與處理電路兩者緊鄰，傳輸距離短，可快速傳遞運算，而深度學習所需要的「網狀層次連接、節點加權運算」亦容易以PIM方式實現，記憶體內儲存的資訊即是節點的權重(Weight，或稱特徵權重)，運算後的結果再向更深層的節點傳遞，進行相同的乘積累加運算(簡稱乘加運算Multiply...

電容式觸控技術具低成本/可靠性優勢 電容式觸控技術主要適用於觸控按鈕、滑動條和滾輪，作為機械按鈕和旋鈕的取代產品，廣泛應用於各種白色家電。除了降低系統成本外，電容式觸控技術還能夠提高可靠性，因為隨著時間的推移，機械按鈕或旋鈕更容易損壞，還會粘上廚房和洗衣間裡常見的水、油脂。然而觸控感測器表面覆蓋玻璃或塑膠，清潔起來很容易，同時支援各種時尚的設計(圖1)。 圖1　(a)觸控式螢幕按鈕和滑動條，已在電器上廣泛應用；(b)可連接至互聯網的帶有大顯示幕的冰箱，則可使用觸控式螢幕技術提供整潔而極具吸引力的外觀。 觸控按鈕和滑動條的這些共同優勢適用於電容式觸控HMI觸控式螢幕，使用戶能夠與電器以及互聯網進行通訊。此外，與互聯網相連的物聯網家電為電器製造商帶來了關鍵優勢，包括： ．遠程維護。 ．供應商透過資料採擷瞭解使用者模式。 ．功耗管理：同步高電流電器以避免電源線出現尖峰。 ．針對遠端缺陷修復和產品改進的韌體更新。 同時，物聯網連接為用戶帶來了諸多優勢，有助於製造商推廣和銷售支援觸控式螢幕的家電，包括： ．某些產品的烹飪說明、食譜和最佳做法下載。 ．洗衣粉及用量、設定洗衣機(甚至可根據洗衣粉或洗衣精的類型設定)和處理故障。 ．為添加新功能和提高效能而進行的韌體更新。 ．天氣、新聞和股票更新。 不過，要想為供應商和用戶提供上述優勢，必須解決一些設計問題。 抗噪/防潮/識別　為三大設計挑戰 與現代智慧手機和汽車類似(但重要程度不同)，觸控式螢幕HMI在白色家電應用中最常見的三個問題是抗噪性、防潮性以及在用戶戴手套時識別觸控命令。如何妥善解決這些問題端賴於觸控式螢幕控制IC的差異。 在抗噪性方面，微控制供應商如Microchip透過專利技術，幫助控制器提高抵抗電源線雜訊的能力。這對於美國以外因未接地或接地不良而導致電源線雜訊極其嚴重的地區來說尤為重要；雜訊透過電源線傳導到電源，然後傳輸到觸控控制器IC。 觸控控制器是一種極其敏感的元件，可測量奈庫倫(Nanocoulomb)級的電荷。只需用手指輕輕觸碰觸控式螢幕，就能從螢幕上帶走少量電荷，對此需要進行一致的正確解讀。雜訊會向感測器注入大量電荷，擾亂控制器，尤其是沒有足夠抗噪能力的控制器。 出現誤觸控事件或幽靈觸控時，按鈕可能會被隨機地自行按下。對於烤箱而言，這可能非常危險。例如，誤觸控事件可能在使用者不需要的情況下啟動自我清潔進程，存放在其中的物品可能給用戶帶來安全問題，造成危險。這是每個電容式觸控控制器都存在的問題，目前已有半導體廠的專利技術可避免傳導雜訊並控制問題。 為了解決雜訊問題，控制器將過濾共模(Common-mode)雜訊，並透過跳頻方案避免雜訊問題。該專利方法利用自容觸控以及互容觸控掃描，並涉及差分觸控感測。IC不是將每條感測線路視為其自身的獨立元素，而是測量感測線路對之間的差值；這樣就消除了兩條線路共有的雜訊。如果顯示幕的相似區域出現相同的雜訊，則該雜訊將被消除，僅保留有效訊號。這種差分觸控感測提供了非常有效的雜訊消除/抑制能力。 在電器內部，洗衣機馬達、冰箱壓縮機以及電磁爐上，燃燒器輻射的雜訊處於雜訊消除頻寬範圍內，這樣便可為這些電器上的觸控式螢幕提供可靠、穩健的效能。因此，這可避免誤觸控事件。然而，還有一點也同樣重要：檢測合法觸控並向主控制器報告以避免因雜訊而錯過觸控事件，否則會出現用戶預計會發生某事件但實際未發生的情況。 由於水和其他液體在廚房和洗衣間中十分常見，因此需要防潮功能。例如，當爐子上鍋裡的液體因沸騰而飛濺到觸控式螢幕上時，不應發生誤觸控事件。不過，霧或水滴也可能導致問題。因此，能夠在潮濕或有水的情況下檢測觸控應當是每個設計人員研究電器的觸控式螢幕HMI時的關鍵要求。 如果螢幕上有薄霧或小水滴，則應支援多點觸控操作。電器應用通常支援兩點觸控，但電器設計人員可透過大型顯示幕提供10點或10點以上觸控的支援，以便多個用戶可以同時觸控。如果用戶觸控螢幕時水匯集到一起或者較大的水滴落在水平螢幕上，則應該抑制由水引起的誤觸控並且支援正常的單指操作。設計人員應該避免使用鹽水等高導電性液體甚至漂白劑等清潔溶液引起的誤觸控事件，圖2簡要介紹了顯示面板背後的情況。觸控式螢幕HMI技術的另一個優勢是支援戴手套操作。在廚房裡，通常會戴上或薄或厚的手套。在目前上市的電器中，有幾種功能未被用於觸控式螢幕IC，這些功能本可為最終用戶提供重要價值，但卻經常被忽視且不被採用。 圖2　觸控式螢幕後面的觸控IC中有一系列驅動電極、接收電極以及相應電路，能夠準確可靠地檢測用戶觸控。 在開發過程中打開和調整後，控制器中可選的支援戴手套操作功能可針對廚房裡常用的手套(約1.5mm厚)提供多點觸控(最多10點觸控)。如果用戶戴手套站在廚房水槽旁，又須要與冰箱或爐子觸控式螢幕連接時，就可能會用到手套支援功能。 更常見的是，烹飪時會使用通常由矽樹脂製成的厚(最多5mm)手套或烤箱手套，由於支援戴手套操作，控制器仍然可以向HMI提供準確的輸入。這可以自動發生而毋須進入單獨的模式，並且可在不使用手套時返回到正常感測水準，因此系統不會過度敏感，因此可避免誤觸控事件。相比之下，一些控制器要求用戶在潮濕、裸露手指、手寫筆和手套等模式之間進行選擇，無法即時自動檢測和調整設置，以在所有環境下完成自然且直覺的使用者體驗。在這些應用中，使用較大按鈕時，使用者介面往往也更加簡單，在設計電器的觸控式螢幕時也應考慮支援手套。 選擇合適的觸控控制器/感測器/螢幕 對於廚房電器和洗衣間電器，將根據電器的尺寸使用各種螢幕尺寸。例如，咖啡機顯示幕為3英寸，微波爐、爐灶台和洗衣機的顯示幕為5英寸，冰箱和冰櫃的顯示幕則可達到22英寸或更大。 在電器供應鏈中，晶片供應商與感測器供應商合作提供晶片和感測器設計。他們共同完成系統整合：通常，模組/顯示幕製造商會整合包括觸控感測器和觸控介面的系統，然後將其提供給電器製造商(圖3)。這個例子說明了當今的半導體供應商如何在提供晶片之餘，另外提供調整和完善系統的服務，使晶片在供應鏈中更易用。 圖3　除了觸控IC外，觸控IC提供商還額外執行許多功能，以將觸控式螢幕成功推向市場。 標準IC工作在-40~85℃的工業溫度範圍內，具有標準韌體，能夠滿足各種顯示幕尺寸和不同電器製造商的要求。電器觸控式螢幕控制器系列提供各種適當的螢幕尺寸選項，可提高電器觸控式螢幕設計的擴充能力，最終縮短設計階段以及降低系統和開發成本。表1顯示了工業級電器顯示幕的一些設計參數。最後一個考慮因素是電磁相容性(EMC)。顯然，設計必須支援EMC；隨後，必須透過測試，驗證設計是否達到了理想的傳導發射和輻射發射結果。 觸控設計為閱讀/輸入理想方案 另外，為儘早瞭解並提高對觸控式螢幕功能的認識，有些觸控方案供應商會為電器觸控式螢幕系列中的每個控制器，提供指定的評估工具包。該工具包中包括一個帶觸控式螢幕控制器的印刷電路板、一個被動柔性印刷電路的尾部，此尾部可將觸控IC連接到玻璃/塑膠透鏡上的觸控感測器。該工具包透過USB連接到主機PC，包括所有必需的纜線、軟體和文件。該評估工具包可與一個完整的軟體發展環境一起使用，使電器設計人員能夠開發和調整電器觸控控制器。圖4為電器製造商可以在評估工具包中找到的內容。總而言之，電器製造商計畫利用物聯網的功能。為此必須提供一種可供閱讀和輸入資訊的方法，而觸控顯示幕則是最理想的解決方案。為成功從當今的方法過渡到先進的觸控式螢幕技術，電器製造商須與IC供應商合作，為電器應用專門設計觸控控制器。使用合適的觸控控制器，電器可以提供互聯網連接，並實現抗噪性、防潮性以及手套操作。 圖4　評估工具包中包含一個帶柔性連接器的專用感測器和一個電子控制板。  (本文作者皆任職於Microchip)

在過去，對於特定的工業控制應用，製造商通常不得不採用專用的通訊協定和系統，而不是採用標準的乙太網路技術。雖然早期的乙太網路只能進行盡力傳送式通訊，但近年來標準乙太網路已經發展了漫長的歷程。隨著時效性網路(TSN)的出現，標準乙太網路現在能夠提供確定性服務，並整合了由過去眾多專用通訊協定隔離的「自動化」。 為了對於未來的智慧製造界定真正統一的網路基礎架構，Moxa等國際標準組織和硬體供應商正在共同開發以時效性網路為基礎的解決方案。隨著TSN成為實施真正的IIoT網路的堅實基礎，全球製造商終於可以發揮工業4.0本有的全部效益。本文會將時效性網路對工業自動化的革新分為兩部分，第一部分將介紹TSN與工業自動化的發展現況，另一部分將探討國際標準組織和裝置供應商如何促使TSN成為工業網路的未來基礎。 推動數位化轉型　技術/通訊協定無縫接軌 現今的世界正在見證數位化轉型的新曙光，製造商須要重新考慮現有的商業模式和工業自動化基礎架構。為了在「工業4.0」時代保持關聯性和競爭力，製造商須要做的不僅僅是採用數位技術，並像過去一樣在自動化孤島中部署預先定義的流程。未來的工業有賴於瞭解推動新一波數位化浪潮的因素、目前工業自動化模式對實現數位化轉型的侷限性，以及如何克服這些限制以實現工業4.0的全部優勢。 目前製造技術自動化和資料交換趨勢的基礎，也稱為「工業4.0」或「工業物聯網」(IIoT)，基本上是數位化。透過將類比訊號、聲音、影像、文字和其他資訊轉換為電腦可讀取格式，數位化幾十年來一直在改變產業的本質。傳統產業不僅能夠提高效率和生產力，而且以往難以想像的機會也開拓並改變了我們在全球展開業務的方式。在可預見的未來，這些趨勢將持續以相當強勁的速度推動成長，預計不僅對工業部門，而且對全球經濟都有重大利益。 然而，工業中的數位化轉型不僅僅涉及將類比資訊轉換為1和0系列的過程。為了讓製造商瞭解所有這些資訊，必須從廠區的無數感測器和設備傳輸資料，並為人或其他機器進行處理，以便即時做出明智的決策。因此，智慧製造的數位化轉型必然包括各種網路技術和通訊協定，這些技術和通訊協定能夠實現無縫通訊，而且從感測器到具有人工智慧的精密機器人提高各種數位化設備的可視性。 實際上，數位化能夠實現將來自連線裝置的資料整合，以及收集和採取效能提升回應的能力，這促使許多製造商採用IIoT技術。公司有明確的動機採用智慧製造，以促進營運效率和業務實務做法。無論是尋求減少機器停機時間、提升效能以開拓業務創新的新機會，還是採用全新的商業模式，例如提供產品即服務，製造商都在進行數位化轉型。 自從工業革命以來，製造商一直在尋找提高生產力的方法。在生產機械化之後，製造商已經將裝置連線做為提高效率和利潤的手段。從20世紀80年代開始，製造商開始採用數位裝置，這導致了我們現今所知的工業自動化的出現。可視化工業自動化目前架構的有用方法是經常引用的普渡模型(圖1)。 圖1　現今的普渡模型為現今的工業網路帶來許多基礎架構挑戰。 在目前的普渡模型中，工業自動化形成了金字塔，其中隔離的專用通訊協定佔據不同的層。但是，這種模式也為現今的工業網路帶來許多基礎架構挑戰。雖然獨立的專用通訊協定可能相當擅長自動進行對於本身開發的原始任務，但實質上說的是不同的「語言」，因此導致難以進行即時通訊。此模型中的傳統工業網路也針對延遲和控制進行了調整，無法共享線路，而且通常限制在100Mb/s(或更低)的傳輸速度，最後不利於可擴展性。 此外，為多個應用程式使用專用硬體和軟體會妨礙互通性，並增加維護和營運成本。因此，跨層的系統整合和可見性變得難以實現，這對整個價值鏈產生負面影響。 顯然，製造策略也需要發展，公司才能保持全球競爭力。如今，客戶需求變得愈來愈多樣化，公司正在尋找滿足這些新的和未來需求的方法，同時提高營運效率。企業必須盡可能靈活、高效率和快速回應，才能保持全球競爭力。製造商可以根據銷售預測單獨擴大生產的情況已經不復存在。相反地，製造商可能需要運用大數據分析的相關見解來即時滿足客戶需求，並且以更低的成本優化生產。這只是製造商如何部署最新技術以實現「工業4.0」並向前發展的一個例子。 由於產業正在持續數位化、自動化和創新，因此，在複雜的全球營運中，設備、裝置和人員比以往更加緊密。最後，工業網路需要趕上市場和產業發展，以確保企業能夠透過更可靠和可擴展的網路將效率、彈性和可用性轉化為更好的效能、更高的員工和客戶滿意度，以及更多的成長。 通用語意/統一基礎架構成要務 傳統的普渡模型以「自動化金字塔」為代表，概略呈現不同層次的網路通訊，這些層次仍然很零碎，可能不可靠且難以維護，尤其是從長遠來看。業界的呼籲已經轉向能夠即時回應市場和商業條件的「自制金字塔」。在這個新設想的架構中，自動化和網路資料流孤島能夠透過通用語義和統一的基礎架構相互通訊。 如圖2所示，這個新的「自制金字塔」將未來的工業自動化設想為一個無縫連接的系統。 圖2　未來的普渡模型將未來的工業自動化設想為一個無縫連接的系統。 小規模、靜態和隔離的控制環路演變成大規模、動態和開放的控制環路通訊，這稱為網路實體系統(CPS)，可將軟體和實體元件緊密結合。 閉環資料以前可以在共同基礎上公開通訊，藉以實現可以透過智慧的方式互相進行新的雙邊資料通訊流量傳輸。 從設備到材料再到人員的所有業務資產都在統一的基礎架構中智慧連接，透過端點對端點的「自主」通訊、協作、反應、適應和優化來滿足各種客戶需求，所有這些都能夠「適時」完成。 製造商透過為多種不同的應用程式(包括自動化、維護、分析等等)使用統一的網路基礎架構，可以實現下列效益： 1.由於不同的終端裝置能夠即時相互通訊，因此配置系統、裝置和應用程式來實現即時回應循環變得相當容易。統一的脈絡導向網路結構也允許進行機器學習，因此從長遠來看，可以運用大數據分析並做出相對應的回應，進一步提高按訂單生產的彈性和效率。 2.改進的資料存取有助於即時進行生產監控，因此可以在不同的情況下建立更高品質、更注重細節的KPI。 3.更強大的網路基礎架構可以支援廠區設備的更多應用，例如計數、分類、品質控制和視訊監控。由於所有即時資料都輸入系統，因此機器不再孤立地工作，而能夠與其他機器協同作業來提高生產力。結合機器人技術和機器感測技術的發展，例如動作引導、擴增實境、機器視覺和觸覺，工廠資產能夠以更低的成本達到優化的效能。 4.標準化技術和可擴展的結構(例如採用乙太網路標準的技術)可達到更大的彈性。透過基礎架構技術和通訊協定的標準化，能夠以與其他模組化單元或擴展類似的方式管理對網路配置構成重大挑戰的拓樸差異。建立、維護和移除分層更具成本效益，而且耗時更少。 實際上，能夠將現今普渡模型中的自動化孤島障礙打破的統一基礎架構將建立連接的實體工業物件系統，而且物件能夠交換並且分析資料，藉以產生有價值的資訊。透過這樣的做法，工業物聯網可以在適當的時間和地點做出正確的決策，藉以將以前預先定義的流程轉變為真正的動態流程。 TSN為工業網路奠定統一基礎 最後，工業自動化和控制系統的未來是關於資訊和網際網路技術的整合(圖3)，這些技術持續滿足高可用性和即時通訊的需求，並且也支援成本和效益達到最佳平衡的新產品和創新解決方案開發。更準確來說，未來的統一網路基礎架構也需要確定性的通訊功能，這些功能可以確保效能和QoS，或甚至優於目前將自動化孤島隔離開的專用通訊協定。值得慶幸的是，標準組織和獨立供應商已經體認到工業4.0的潛在效益，並且共同努力為工業網路奠定新的統一基礎：時效性網路。 圖3　使用統一的網路基礎架構邁向IIoT和工業4.0的道路。 為了滿足統一確定性基礎架構的需求，TSN具備一系列標準，可透過標準乙太網路實現確定性訊息傳遞。根據電機電子工程師學會(IEEE)的定義，TSN涉及一種網路流量管理形式，可確保端點對端點傳輸延遲的確切時間範圍。因此，所有TSN裝置必須將本身的時鐘彼此同步，並使用共同時間參考來支援工業控制應用的即時通訊。雖然TSN標準最初是由IEEE開發而成，但重要的是要體認到TSN已超出主要的IEEE標準，而且這是許多國際組織和公司共同辛勤努力的成果。 早期的標準乙太網路無法保證資料傳輸，而且受到高延遲的影響。因此，需要高網路可靠性和可用性的產業開發本身的專用網路解決方案(例如，改進的乙太網路、Fieldbus)，用於工業控制系統和自動化。為了滿足製造業工業應用的高可用性和低延遲要求，傳統盡力傳送式乙太網路技術必須不斷發展，才能變得更有確定性。 TSN基本上是標準乙太網路技術發展的下一個階段，目的是滿足IIoT未來的需求。除了為乙太網路上的確定性服務提供一套標準之外，TSN也將許多不同的產業組織和市場領導廠商聚集在一起，共同實現工業4.0的全部潛力和數位化效用。 傳統的乙太網路技術通常包括採用盡力傳送式封包傳送的集線器和交換器。在大多數情況下，資料封包會依序成功傳遞，但不保證必定如此。雖然盡力傳送式網路可以充分運用於網頁瀏覽應用，但是工業控制應用需要更高的可用性、零封包遺失和更低的延遲。畢竟，如果不能保證資料封包傳送，關鍵控制資料可能無法適時傳送到正確的位置。 在20世紀80年代，製造商開始從機械或類比技術轉向數位技術時，雖然盡力傳送式乙太網路提供比傳統Fieldbus更高的頻寬，但是，對於需要高精度、可用性和有保證即時傳輸的工業控制系統而言，並不是適合的基礎架構選項。除了當時乙太網路技術的高成本之外，乙太網路重新傳輸演算法和衝突偵測尚無法滿足工業控制系統的效能要求。因此，製造商必須開發專用系統和通訊協定，才能透過確定性網路實現數位化。 不同於盡力傳送式網路，確定性網路支援下列服務： ．時間同步 ．資源保留 ．極低的封包遺失 ．保證端點對端點延遲和頻寬 從乙太網路和工業自動化的早期開始，網路技術已經發生了很大變化。實際上，現代乙太網路技術甚至可以提供確定性服務，滿足以前需要專用系統和通訊協定的許多工業應用需求。由於融合網路的發展趨勢以及頻寬需求的相對應成長，真正確定性乙太網路可能比專用網路更具成本效益並符合未來需求。 為了實現能夠傳輸即時控制以及在工業設施中傳輸音訊/視訊的真正融合網路，IEEE 802.1工作小組的TSN任務群組正在為乙太網路上的確定性資料傳輸界定一套標準。做為一系列標準，TSN更像是一個工具箱，而不是多功能解決方案；要瞭解有哪些「工具」可用，以及每個工具有什麼作用，才能確定哪些工具適合什麼應用。 如表1所述的關鍵通訊協定所示，時效性網路標準主要著重於下列主要方面： 1.時間同步 2.延遲 3.可靠性 4.資源管理 正如名稱「時效性網路」所示，TSN需要所有網路設備採用IEEE 802.1AS(未來的IEEE 802.1AS-Rev)，這會界定定時和同步的標準。畢竟，所有終端裝置和乙太網路交換器之間的共享時間概念是確定性網路的其中一個關鍵特徵。此外，IEEE 802.1Qbv界定裝置須如何根據固定排程傳輸時間關鍵訊框，而且也要為共用相同線路的其他大量流量保留盡力傳送式通訊。除了網路基礎架構本身，TSN也需要一種新方法來處理資料流和需要更複雜計算的相對應需求。因此，IEEE 802.1Qcc界定啟用網路管理新方法的管理介面、機制和原則。 為了便於說明，TSN可以比擬為鐵路系統，列車類似於乙太網路資料訊框(圖4)。在這個例子中，乙太網路交換器和終端裝置就像火車站。想像一下，如果每個火車站顯示不同的當地時間，而不遵循整個系統的嚴格時間表，會發生什麼情況。如果列車從A站出發，而且火車站沒有共同時間參考，乘客如何知道列車何時抵達B站？這個問題正是鐵路開始規定標準鐵路旅客和列車時間的原因，也說明了為什麼工業網路需要時間同步。 圖4　時效性網路幫助工業網路時間同步。 (本文作者為Moxa產品經理)

MEMS是一種工程空間技術，主要仰仗於機械和機電裝置及相關結構的小型化。這些可以透過多種技術創建，統稱為微製程(Microfabrication)。與這種MEMS元件相關的尺寸(Form Factors)可以從幾個mm直到次微米(Sub-micron)級。有些元件可以運動，但其他元件會在裝置中保持靜態。 MEMS技術有許多潛在用途，但它目前在轉換器(Transducers)領域具有最重要影響。作為通用術語，轉換器可以涵蓋將能量從一種形態轉換為另一種形態的任何裝置。在MEMS環境中，這將是機械能到電能，或者反過來的方式，包括微感測器和微致動器(Micro-actuators)。 雖然標準的機電裝置本身非常有用，並且可以完成大量任務，但是當它們在整合到MEMS中時，可以實現其全部最大潛力，感測元件可以與伴隨的IC和其他元件共用同一矽基板。採用典型的半導體製程(CMOS、BiCMOS等)來製造IC，而MEMS特性則使用微加工製程製造，選擇性地蝕刻掉晶片的一部分，或者添加新的結構以形成轉換器元件。除了在許多應用中具有很大吸引力的小型化明顯優勢外，MEMS元件批量製造和自動校準能力也帶來明顯的規模經濟，從而可以大大降低製造費用，降低實際的單價。 MEMS感測器可簡化任務/降低風險 現代感測解決方案通常將MEMS元件與相關的訊號調節電路整合，例如類比數位轉換器(ADC)和數位介面。這形成更緊湊的解決方案，可以輕易地與系統主處理器互連。透過在系統級封裝(SiP)格式中包含此類功能，設計工程師的任務變得更加簡潔，進而降低設計風險，並加速產品上市時程。 整合MEMS元件的另一個優勢則是它們總能提供「理想」的輸出。如果裝置的機械元件為非線性，那麼這可以透過裝置本身的演算法來解決。例如，還可以透過在MEMS元件內整合小的熱感測器來應對由於溫度變化引起的非線性或偏移(Offset)。藉由這種自補償能力，基於MEMS的感測技術能夠提供高品質輸出。 使用MEMS技術的最簡單裝置之一是麥克風(圖1)，它是一種直接的感測器類型，可將聲壓轉換為電能。由於語音啟動助理(如Amazon、Google等)、降雜訊耳機以及音訊會議等車輛和商業應用中使用的語音控制系統等大幅成長，麥克風市場正在迅速復甦。 圖1　基於Infineon IM69D120 MEMS的麥克風。 一些基於MEMS的麥克風，例如Infineon的IM69D120，相較其較大的機電同類產品具有更好的性能。該特定元件具有非常高的訊噪比(SNR)和極低的失真(<1%)以及完美的匹配，非常適合多麥克風陣列型應用。它還具備高整合度，包括一個低雜訊前置放大器和一個ADC，可提供完全的數位輸出。 雖然有許多類型的基於MEMS的感測器，能夠量測流量、位置、運動、壓力等，但這些節省空間的裝置現在也開始承擔更複雜的任務。例如，它們已經廣泛用在汽車工業，以便更精確地知道車輛的方位和運動，確保持續的穩定性並增強安全感，執行這些任務的關鍵元件包括採用MEMS技術的加速度計和陀螺儀。 MEMS加速度計廣泛應用消費/工業/汽車產業 基於MEMS的加速度計能夠感測由於運動/加速度引起的力，這些主要透過懸掛(在彈簧上)微加工層來實現，當安裝於任何媒介上的感測器因動作而受到力時，該層可自由運動。一些MEMS加速度計利用壓電效應，這些裝置包含微晶體結構，晶體結構受到機構層運動造成的壓力，之後產生與加速度成比例的電壓。另一種方法是將可動作層懸掛在一對電極板之間，當機構層移動時，電容就會改變，該變化可以被量測並產生與加速力成比例之輸出。在大多數微加工製程中，確定電容只需要一個小小的額外步驟。這種方法能夠具備明顯提高的靈敏度，並且本質對溫度變化不敏感，所有這些都使其應用具有很大吸引力。 近年來，加速度計已經進入更廣泛應用領域。它們現在被整合到智慧型手機中，可以幫助偵測方向以轉動螢幕，並提供額外的功能(例如統計步數以提高健身水準)。它們可以整合在媒體播放機等產品中以提供創新的用戶介面，可以在口袋內輕敲以變換到下一音樂曲目。此外，它們可以作為一種偵測「相機抖動」方式(包括數位相機和影像攝影機)，透過反相動作影像感測器來校正可能導致模糊影像。在筆記型電腦型號中，它們可用於偵測突然跌落，並在硬碟驅動器(HDD)撞擊地面之前將其關閉，以保護高價值資料。 在消費性領域之外，加速度計還具有其他軍事、研究和商業用例。它們也常用于機器人和機器控制系統，但最重要的是它們在汽車產業中執行安全關鍵功能。結合車輛中的高級駕駛員輔助系統(ADAS)，具備高g值的加速度計可以透過偵測快速負加速度來及時回應即將發生的撞擊，可以啟動安全氣囊，關閉燃料供應，甚至自動向急救人員發出緊急呼叫。 基於MEMS的陀螺儀可以仰仗Coriolis Effect量測圍繞正常行駛軸的側傾和偏航，並能夠偵測打滑，提供進一步的安全功能。舉例來說，Murata的SCC2230將三軸加速度計與陀螺儀和訊號處理電路整合在一個小型SiP中(圖2)，構成一個基於MEMS的慣性量測系統(IMU)，可以高精度地跟蹤位置。該元件基於Murata專有的電容式MEMS機構，能夠量測加速度和角速率，同時透過方便的數位SPI輸出提供資料。 圖2　Murata的SCC2230 IMU的功能方塊圖。 感測器融合　資料準確更可靠 因此，感測器融合能夠處理來自多個感測器的資料，隨後得到的資料更準確或更可靠，或者兩者兼而有之。業界對這一概念的興趣日益增加，至少部分是由於MEMS感測器使用越來越多，這些感測器能夠降低感測系統的尺寸和成本。隨著物聯網的不斷進步，現在可以訪問雲端運算資源，以更有意義的方式組合來自多個感測器的資料，並提供所需的處理能力。 以相對濕度作為一個簡單的範例。這須要運算空氣中存在的水量，表示為在相同溫度下飽和狀況所需水量的百分比。這對於室內氣候控制很重要，特別是在儲存敏感電子元件的地方，以及工業應用(例如塗漆和塗層)中。可以透過將濕度感測器的資料與溫度感測器的資料組合來運算環境相對濕度。 感測器融合還可用於改進系統或物體在三維空間中的定位。透過前面討論過的Murata IMU，來自加速度計和陀螺儀的資料可以透過感測器融合進行組合，以提供高精度的3D位置，能夠克服陀螺儀內的任何偏差或可能影響加速度計讀數的振動，可使用複合濾波演算法(包括流行的卡爾曼濾波技術)來組合資料。除了在汽車產業也具備許多應用外，該技術也註定廣泛應用于機器人等領域，例如，必須要知道機器人手臂的確切位置。 基於MEMS感測器資料的融合也在醫療保健市場取得了重大進展。可穿戴健身追蹤器中的感測器可以與其他心率或體溫監測器等貼近身體裝置組合，提供患者生命體徵的完整資料，並用於遠端監護等用途。如果再將人工智慧(AI)導入這些類似的醫療應用，可以開創沒有任何人工參與狀況下的醫學診斷巨大潛力。 雖然MEMS感測器與較大的機電元件都仰仗相同的原理，但MEMS感測器正在為當今世界中所看到的快速變化做出重大貢獻。小而堅固的MEMS元件(通常以SiP格式提供)可以將感測元件與板載訊號調節和數位通訊整合在一起，能夠更容易地將資料傳輸到適當的硬體處理。 透過自動化製造和校準的組合，以及量產快速成長所帶來的規模經濟效應，這種先進技術比以往都更加經濟實惠。所有這些發展都得益於將多個感測器的運作整合在一起所帶來的機會，藉此能夠實現更高的準確度和可靠性，並可獲得透過單獨感測器無法實現的參數量測。 (本文作者任職於貿澤電子)

5G毫米波OTA測試勢在必行 手持行動裝置產品製造商需要確保其產品符合5G毫米波的頻率要求和OTA標準中所規範的RF性能要求，5G毫米波OTA測試驗證的項目共三項如下描述為：峰值有效無方向性輻射功率(Peak Effective(or Equivalent)Isotropic Radiated Power, Peak EIRP)、總輻射功率(Total Radiated Power, TRP)、峰值有效無方向性敏感度(Peak Effective Isotropic Sensitivity, Peak EIS)。 對於5G高頻毫米波的RF測試方法，OTA測量的方式將是驗證手持行動裝置產品在高頻毫米波的唯一測試方法，主要原因是因為頻率太高時RF的元件太小(幾乎與RF接頭的大小相同)，傳導測試(Conducted Test)在量測結果會造成很大的量測不確定性。 目前被國際標準組織允許使用的毫米波OTA測試方法有直接遠場(Direct Far Field, DFF)、間接遠場(Indirect Far Field, IFF)、近場轉換到遠場(Near Field to...

使用者想要的是真正「智慧」和安全的技術，他們希望智慧產品可以自行學會使用者的喜好，且能在幾乎不需要使用者輸入的情況下控制家居功能。而配備了感測器並連結至雲端應用程式，智慧家庭中的系統，包括照明、空調、門窗以及家電等，可以對環境和系統功能施行更佳的本地控制，並且根據不同使用者的需求和喜好，以個人化和自動化的方式做出回應。 關於智慧家庭的自我學習技術，現今最為人熟知的範例當屬Nest Learning Thermostat設備，針對「智慧」產品如何學習及根據使用者愛好進行調整，這個設備提供了一種模式。 就智慧家庭技術而言，比起越來越多的遙控技術，這樣的願景更具吸引力，且由於感測器晶片(半導體)技術的新發展，愈來愈多的智慧家庭操作能以自動且智慧的方式進行控制，毋須增加任何新機盒、控制器或設備；而做為消費性產品感測器晶片的製造商，對於智慧家庭技術的未來，以及感測器在未來智慧家庭中的建置使用，半導體晶片商提出獨到的見解。 感測器效能持續提升讓居家生活更舒適 過去50年以來，半導體產業在愈來愈小的空間內實現了愈來愈多的功能，同時還能不斷降低成本，這是多麼了不起的成就。只要是曾經使用不同世代的個人電腦或手機的人，就曾經歷過這樣的歷程(圖1)。 圖1　製造於1980年代初的Osbourne Executive工作電腦，旁邊是Apple iPhone手機，這款手機的運算能力是舊電腦的500倍左右，記憶體容量大了16,000倍。 相同的力量影響著半導體產業的每個部分，包括用於智慧家庭的感測器晶片。今天的感測器比以前更小、更準確，而且內部存在更多智慧功能。 舉例來說，ams旗下的ENS210環境感測器，能夠測量溫度和相對濕度，然而該產品是一個尺寸僅為2mm×2mm的小晶片。同樣的，大小僅3mm×4mm的氣體感測器CCS811，則能夠藉由揮發性有機化合物的相對濃度來測量空氣品質(圖2)，而整合了智慧照明管理晶片的完整色彩感測器尺寸僅為4.5mm×4.7mm。 圖2　CCS811空氣品質感測器(如右圖電路板上所示)的占板面積僅12mm2。 最左邊的銀色元件是標準USB連接器。 圖片來源：ams 如果嵌入在居家產品中，這些感測器所能控制的居家操作將多於現在能做到的部分。在今日，許多家庭的居家自動冷暖空調控制受限於一個位於單一位置的溫度感測器(恆溫器)。然而，人們的舒適感受不是僅由溫度決定，濕度和室內空氣品質(包括空氣是否新鮮)等其他因素也會產生很大的影響。不同的人有不同的需求或喜好，所以要讓家裡每個人都感覺居家更為舒適，較有效率的方式是能夠針對每一個房間單獨改變每一項因子的設定。 小型/低成本感測器實現智慧生活 在Nest Learning Thermostat產品中，隨著時間進展，控制設定變得更為自動化和個性化，顧名思義，恆溫器會「學習」(圖3)。恆溫器之所以能做到這一點，是因為它與雲端運作的強大Nest軟體演算法之間以網際網路連結。同樣的，來自家中各處的環境感測器的輸出，可以通過寬頻路由器饋送至雲端應用程式，如此一來，每個房間的感測器陣列都可以持續「學習」每一使用者的愛好。 圖3　Nest學習型智慧恆溫(Nest Learning Thermostat)控制器。 智慧冷暖空調系統可使得兒童臥室的空氣更涼爽、更乾燥，在此同時，同住一屋的年邁祖父母所在的電視室，則能變得更加溫暖和潮濕。使用者攜帶的智慧型手機加上遍布家中的位置追蹤信標(Beacan)，這樣的組合可以偵測誰在哪個空間中。現今在最新的智慧型手機中看到的臉部或語音辨識技術等，將來也可以被做為自動偵測每一空間的使用者身份的方法。 家庭感測器連結雲端還能以不同方式獲得好處。例如，Google Assistant和Apple Siri虛擬個人助理能夠透過強大的雲端運算執行其聰明的自然語言功能。這些助手提供的語音控制已用於家庭設備，例如調暗燈光或升高溫度等。ams等製造商也參與其中，提供的技術能可靠地偵測使用者的語音指令，以進行複雜、微小的音頻感測。 使得家居生活更便利的技術不僅語音一種。想像一下，揮動雙手就能開關或調暗燈光：執行接近感測的同類型紅外線光感測器(當手機靠近使用者臉部時，手機螢幕就會關閉)，或是當手勢辨識軟體支援時，相機自動聚焦功能還能用於識別手勢。 智慧照明將扮演感測中樞角色 因此，新型感測器可以使智慧家庭成為一個更舒適和便利的處所，更有利於健康的生活方式。這些感測器非常小，所以幾乎適用於現有任何類型的家用裝置或設備，而恆溫器是顯而易見的選項。然而，或許更有可能的是，新一代智慧照明將成為新型態智慧家庭的「聯網感測器中樞」。聯網照明在這個角色中有三大優勢： ．它們已連結至連續電力，所以不須擔心已放電電池的更換。 ．它們有清楚的視野。針對空氣，能感測氣體、溫度和濕度；針對人們，可以感測存在、手勢和語音。 ．它們具有內建連網和智慧，可以輕鬆支援增加的感測功能，而不是在多個離散感測器模組中複製網路和微處理器功能。 因此，未來的智慧照明將會明顯的角色定位，也就是成為未來的環境感知數位智慧家庭的新樞紐，為每個空間內的每一使用者提供個性化的自動化舒適和便利設定。 這個角色由智慧感測器支援，例如ams的AS722x智慧照明管理系列，像是AS7221是晶片上的可調白光照明系統控制器，它可以支援簡單的網路介面，如Wi-Fi、Zigbee、藍牙網狀網路和其他網路，處理0~10V調光訊號，並可以承載上述位於同一燈具中的ams ENS210和CCS811等環境感測器。網路連結提供了到雲端的鏈接，其中複雜的應用程式可以根據多個感測器輸入做出決策，並將這些輸入轉發到適當的設備，例如冷暖空調和照明。針對照明部分，AS7221內部的嵌入式智慧將自動執行所需的調整以符合雲端指令的訴求。 現今已有元件能為智慧家庭提供新的聯網感測功能。使用者、安裝商和承包商還可以期待在不久的將來，能夠看到照明和其他類型設備的製造商推出更具智慧的產品版本，而這些產品皆整合了新的感測功能。 (本文作者任職於ams)

如何照護及關懷家中老人，尤其是居家的高齡長者因跌倒延誤就醫導致更多危險之相關議題，又近年來許多長者，因家屬需外出工作而導致無法及時去關懷或照顧年長者，亦無法瞭解長者在生活起居上是否有危險或意外的發生，因此本產品結合了「偵測撞擊」與「雲端紀錄」等功能，當長者跌倒摔跤或有意外的發生時，可立刻告知家屬或救援者以給予協助。 本產品擁有的功能有：具偵測撞擊功能、具警示功能、具LED警示功能、具手機自動撥打電話功能、具手動求救按鈕功能、具手機自動寄出求救簡訊功能、具手動解除警報按鈕功能、具偵測撞擊部位(頭部)功能、具偵測流血部位(頭部)功能、具雲端紀錄功能以及具防撞功能。 另外，本產品的創新性在於，當長者在家中或任何地方摔跤跌倒時，裝置偵測到長者頭部受到衝擊，將會觸發裝置上的警報音效以及亮起警示LED燈，使救援者能迅速找到長者跌倒的位置，給予長者更快速、更便利的救援，同時手機也會寄出求救訊息，訊息也將會上傳至雲端紀錄，如此一來可以避免長者跌倒時，無人能協助，錯過黃金救援時間。 另外，雲端可提供救援者及照顧者查詢紀錄，避免長者輕微跌倒時，無人知曉，則裝置上設有一個求救按鈕，當長者遇到困難或需要協助時，可按下裝置上的求救按鈕，手機將會立即撥打求救電話，尋求幫助，此求救按鈕讓長者能在遇到困難或需要協助時，在第一時間尋求救援者幫助。 護頭裝置工作原理說明 圖1所示為本作品「可偵測頭部撞擊與流血部位之護頭裝置」的完整電路圖，本作品是以盛群的HT66F70A為主要的系統核心，來控制週遭的一些方塊圖，例如敲擊模組、蜂鳴器、LED、藍牙模組、撞擊感測模組、流血感測模組、求救按鈕等元件，以完成整個系統的運作，以下所示為相關元件之控制電路。 圖1　可偵測頭部撞擊與流血部位之護頭裝置電路圖 圖2所示為本系統LED警示燈之控制電路圖，當長者跌倒頭部受到撞擊時，頭部相對應部位額頭、後腦勺、頭部左/右側的撞擊感測器會動作，若額頭的撞擊感測器動作，則系統會經由PC.0送出訊號，令用以指示後腦勺受到撞擊的LED1會閃爍。 圖2　LED警示燈之控制電路圖 同理如果頭部後腦勺/左/右側/前額的撞擊感測器動作時，則系統會經由PC.1、PC.2與PC.3送出訊號，令用以指示頭部左/右側/前額受到撞擊的 LED2~4閃爍，其目的是為了讓救援者或家人可快速的得知長輩跌倒時受傷的部位，以便進行救助。 圖3所示為本系統藍牙模組(HC-05)之控制電路，採用UART串列通訊介面，其中藍牙模組的TxD與RxD分別接至盛群HT66F70A微控制器PA.1(Rx)與PA.3(Tx)接腳，二者之間的傳輸速率為9600bps，範圍在10公尺(0dBm)到100公尺(20dBm)左右，採用每秒1,600次跳頻展頻技術。 圖3　藍牙模組之控制電路圖 在此，要將資料傳送給手機或接收來自手機的訊息之前，需先將手機與藍牙模組進行配對、手機裡的APP程式撰寫完成，配對之後只需要當成固定串列傳輸速率的序列埠一樣使用即可，因此只要是以「固定串列傳輸速率，8位元資料位元，無同位」通訊格式的序列埠設備都可以直接取代原來的有線序列埠而不須修改程式。 圖4所示為本系統蜂鳴器之控制電路圖，其中蜂鳴器為電磁式蜂鳴器，透過微控制器傳送高、低訊號至PC.5令其發出聲音，當PC.5=1時，將蜂鳴器中的金屬振動膜吸下，當PD.0=0時，蜂鳴器中的振動膜的彈力彈回，促使蜂鳴器能發出高低聲，來達到警報的音效。 圖4　蜂鳴器之控制電路圖 圖5所示為本系統敲擊模組之控制電路圖。微控制器的PD.0~3分別與四個敲擊模組的D0接腳連接在一起，當敲擊模組偵測到了撞擊時，即老人跌倒撞擊到了頭部的四個重要的部位時，相對應敲擊模組的D0接腳會輸出一低電位的訊號給微控制器，此時系統會觸發一系列的求救動作，傳訊息至手機，令手機自動撥打求救電話，將撞擊時間及資訊全數紀錄於雲端中。 圖5　敲擊模組之控制電路圖 撞擊感測器模組使用了以彈簧擺動原理設計的振動感測器，當振動能傳到彈簧末端引起共振，左右擺動碰觸到金屬外壁形成通路。由於導通時間和彈簧的剛性有關，所以該振動感測器的輸出頻寬很窄，本組使用了外部中斷功能來準確的讀取振動觸發，以利於系統偵測受到撞擊時的穩定度。 圖6所示為本系統求救按鈕與解除警報按鈕之控制電路圖，其中微控制器的PC.4與PC.6分別與KEY1與KEY2連接，當按鈕觸發時，系統將會接判斷訊號觸發的來源為何，若訊號來自PC.4=0時，將會執行求救之動作。 圖6　求救按鈕與解除警報按鈕之控制電路圖 例如：傳送訊息至手機，手機將會立即撥打求救電話，反之若是PC.6=0則進行取消警報及求救訊號之動作。 有助跌倒偵測　護頭裝置具市場競爭力 此一可偵測頭部撞擊與流血部位之護頭裝置具有的功能如下所示： 1.具偵測撞擊功能：偵測長者是否摔跤或跌倒。 2.具警示功能：當觸發撞擊感測模組時，喇叭會發出警報聲。 3.具LED警示功能：當觸發撞擊感測模組時，相對應的LED警示燈會點亮。 4.具手機自動撥打電話功能：當觸發撞擊感測模組時，手機將會自動撥打119、警衛室、指定親戚或人選，以確保老人可在第一時間獲得救助。 5.具手動求救按鈕功能：按鈕安裝於太陽穴上方兩側，除了上述功能觸發外，主要用於長者還清醒時，但無法起身的狀態，按下按鈕請求幫助。 6.具手機自動寄出求救簡訊功能：當老人跌倒按下求救按鈕時，系統將會透過人的手機將求救簡訊傳送至子女、老伴或指定人選的手機。 7.具手動解除警報按鈕功能：如果長者摔倒了，但是意識清楚並且無大礙，可按下裝置上的手動解除鈕，以解除警報聲。 8.具偵測撞擊部位(頭部)功能：當長者摔到固定部位，將會亮起該部位的LED，例如:前額、後腦杓、右側頭部、左側頭部。 9.具偵測流血部位(頭部)功能：當偵測到長者流血時，將會亮起該部位LED燈，例如：前額、後腦杓、右側頭部、左側頭部。 10.具雲端紀錄功能：當偵測到長者摔跤或跌倒時，相關訊息會上傳至雲端，讓出門在外面或工作的子女可隨時從雲端得知長輩的狀況。 11.具防撞功能：該裝置內外將會填充防撞棉，以減少撞擊力道，保護頭部。 由於台灣漸漸邁入高齡化的時代，長照與長者們的照護，必須日益進步。雖說市面上有許多關懷與保護老人的設備與裝置，例如血壓計、溫度計與站立式手杖等，但這些設備多有助於長者平時的健康，但在老人跌倒時就幫助有限了。 本產品的優點是當老人在浴室、客廳或房間跌倒時，系統會立即發出警報聲與相關訊息至家人手機，以提醒家人長輩跌倒了，同時也會立即撥打電話給家人或指定的人，讓家屬可立即得知長輩跌倒了，需給予即時的幫助與處理。由於本作品的成本不高、易於操作與使用且擁有諸多益於老人的功能，所以是極具市場競爭力的。 以MCU為核心實現護頭應用 圖7所示為本作品的系統架構方塊圖，是以盛群的HT66F70A為主要的系統核心，來控制週遭的一些方塊圖，例如敲擊模組、蜂鳴器、LED、藍牙模組、撞擊感測模組、流血感測模組、求救按鈕等元件，以完成整個系統的運作。 圖7　可偵測頭部撞擊與流血部位之護頭裝置方塊圖 該產品的動作描述如下。當啟動後，系統會自動偵測裝置上的撞擊感測器，當偵測到長者頭部受到衝擊，將會觸發警報音效以及亮起警示LED燈，使救援者能迅速找到長者頭部撞擊到的位置，給予長者更快速、更便利的救援，同時手機也會寄出求救訊息。 在寄出求救訊息前，該產品設置了10秒鐘，防止誤觸時送出求救訊息，另外在裝置上也設置一個求救按鈕，當長者遇到困難，可按下裝置上的求救按鈕，手機將會立即撥打求救電話，尋求幫助，上述情況皆會記錄在雲端，以提供救援者及照顧者查詢紀錄。 (本文作者皆為台北城市科技大學學生；指導老師為劉銘中教授)

LLC諧振轉換器就是一種軟開關拓撲，讓主功率開關管零電壓切換，顯著降低切換器之損耗，大幅提升電源效能。在這種拓撲中，為了達到ZVS狀態，功率切換器的寄生二極體必須反向恢復時間非常短。如果本體二極體不能恢復全部載流子，則在負載從低到高的變化過程中，可能會發生硬開關操作，並可能導致寄生雙極電晶體導通。 減少元件數量/尺寸功率滿足密度需求 在電信設備電源、大型電腦/伺服器、電焊機、鋼材切割機等消費性應用市場上，對功率密度的需求每年都在成長。要想提升功率密度，就必須減少元件數量，降低功率損耗，縮減散熱器和被動元件的尺寸。目前，硬開關半橋是這些應用的典型拓撲，而LLC諧振半橋則是新興的替代方案。LLC拓撲能確保導通前切換器的電壓為零(或者關斷期間切換器電流為零)，進而消除每次切換時因電流和電壓交疊而導致的功率損耗。 在高頻應用中採用這種切換技術同樣可以降低切換器的損耗，進而有助於縮減被動元件的尺寸。顯而易見，切換功率損耗降低為在應用設計中選用尺寸更小的散熱器提供了可能。零電壓條件發生是MOSFET寄生二極體導通所致。在負載快速變化過程中，MOSFET從零電壓切換至零電流切換器，在這種情況下，高dv/dt值可使寄生雙極電晶體導通並燒毀MOSFET。 LLC拓撲簡介 LLC拓撲的基本半橋電路是由兩個切散器所組成，高邊切換器(Q1)和低邊切換器(Q2)透過電感Lr和電容Cr與變壓器相連(圖1)。切換器與寄生二極體(D1和D2)和寄生輸出電容(C1和C2)並聯，為了闡述其在全域功能中的作用，我們在圖中將它們單獨標註出來。在圖1中，我們注意到多出一個Lm電感，實際上，Lm是變壓器漏電感，其規則在LLC拓撲中非常重要。 圖1　LLC半橋電路 如果變壓器原邊電感Lm值很大，不會影響諧振網路，則圖1所示的轉換器就是一個串聯諧振轉換器。 在一個諧振單元中，當輸入訊號頻率(fi)等於諧振頻率(fr)時，即當LC阻抗為零時，增益最大。諧振轉換器工作頻率範圍是由兩個特定的諧振頻率值界定，這些頻率值與電路有關。驅動控制器設定MOSFET的開關頻率(fs)等於電路諧振頻率，以保證諧振的重要優勢。 現在我們將看到，如何透過改變負載，使諧振頻率從最小值(fr2)變為最大值(fr1)：         當時，LLC就像一個串聯的RC諧振腔；這種功能出現在高負載條件下，即當Lm與低阻抗並聯時；當時，LLC類似於並聯RC諧振腔，這功能出現在低負載條件下。系統通常不在這個區域工作，因可在ZCS條件下運行。若頻率fi在fr2<fi<fr1範圍內，則兩個功能同時存在。 如果使用圖形表示諧振元件的增益，我們就得到圖2所呈現的曲線，不難看出，圖形變化與Q值相關。 圖2　諧振頻率的變化與Q值有關 LLC諧振轉換器的工作範圍受限於峰值增益。值得注意的是，峰值電壓增益既不發生在fr1處，也不出現在fr2處。峰值增益對應的峰值增益頻率是fr2與fr1之間的最大頻率。隨著Q值減小(隨著負載減小)，峰值增益頻率移向fr2，並且獲得更高的峰值增益。隨著Q值增加(負載增加)，峰值增益頻率移向fr1，峰值增益下降。因此，滿載應該是諧振網路設計的最差工作條件。 從MOSFET角度看，如先前所述，MOSFET的軟開關是包括LLC在內的諧振轉換器的重要優點，而對於整個系統，由於輸出電流是正弦波，因此， EMI干擾降低。圖3所示是LLC轉換器的典型波形特性。 圖3　LLC轉換器的典型波形 在圖3中我們注意到，漏極電流Ids1在變正前是在負電流區擺動。負電流值表示本體二極體導通。在此階段，由於二極體上的壓降，MOSFET漏源兩極的電壓非常小。如果MOSFET在本體二極體導通期間切換，則發生ZVS切換，切換損耗降低。該特性可以縮減散熱器尺寸，提高系統效能。 如果MOSFET切換頻率fs小於fr1，功率元件上的電流形狀會改變。事實上，如果持續時間足以在輸出二極體上產生不連續的電流，則原邊電流形狀會偏離正弦波形。 此外，如果MOSFET的寄生輸出電容C1和C2與Cr的容值相當，則諧振頻率fr也會受到元件的影響。正是因為這個原因，在設計過程中，選擇Cr值大於C1和C2，可以解決這個問題，使fr值不受所用元件影響。 續流與ZVS息息相關 分析諧振頻率的方程式就會發現，在高於峰值增益頻率時，諧振網路的輸入阻抗是感抗，諧振網路的輸入電流(Ip)滯後於諧振網路的輸入電壓(Vd)。在低於峰值增益頻率時，諧振網路的輸入阻抗變為容抗，並且Ip領先Vd。在電容區運作時，本體二極體在MOSFET切換期間執行反向恢復操作。 當系統在電容區工作時，MOSFET會面臨極大的潛在失效風險；事實上，如圖4中的圓圈所示，寄生二極體的反向恢復時間變得非常重要。 圖4　避免潛在失效，寄生二極體的反向恢復時間相當重要。 根據這一點，在負載由低變高的過程中，驅動電路應強制MOSFET進入ZVS和正關斷電流區。如果無法保證，MOSFET的工作區可能很危險。 在低負載穩態條件下，系統工作在頻率較低的諧振頻率fr2附近，然後ZVS導通，並保證正關斷漏極電流。在負載變化(從低到高)後，接換頻率應該變成新的諧振頻率。如果沒有發生這種情況，則系統狀態經過ZCS區域和ZVS導通，正關斷漏極電流不會出現。因此，當MOSFET關斷時，電流也會流過寄生體二極體。因此，寄生體二極體的性能變得非常重要。出於這個原因，新LLC設計的趨勢是使用本體二極體恢復時間非常短的功率元件。 (本文作者任職於意法半導體)