技術探勘

對於在自動駕駛和輔助駕駛等應用中為車輛提供眼睛的光學雷達系統而言，其需要短至數奈秒、甚至更窄的脈衝寬度來實現必要的距離解析度，而這類脈衝通常使用雷射二極體來產生。為了獲得足夠的距離測量範圍，峰值光功率必須要夠高。這意謂著雷射二極體的峰值電流將達到數十安培甚至數百安培。目前要產生這個數量等級的電流，通常需要使用複雜的電路及昂貴的特殊半導體元件。 圖1　典型的光學雷達系統概述   脈衝寬度/能量大幅影響距離解析度及量測範圍 ToF光學雷達通常使用近紅外(NIR)雷射二極體，即側面發射外延雷射器或垂直腔面發射雷射器(VCSEL)來實現。雷射二極體在電氣上的表現與整流器類似，當正向偏置高於某個下限電流時，它會發射出光功率與正向電流成比例的雷射輻射線。因此，如果採用脈衝電流驅動，則可以獲得雷射脈衝。雷射脈衝主要有脈衝寬度和脈衝能量等兩個關鍵選項，其分別對距離解析度和距離量程範圍造成顯著的差異。傳輸中光訊號的脈寬對光學雷達系統的距離分辨率有很大的影響(圖2)，如同圖2的上圖描述從光學雷達發出的窄脈衝光訊號的情況，其中光脈衝必須傳播距離d後，才能到達目標，並被反射向後傳播至光學雷達，側脈衝發送和接收之間的時間td為td=2d/c，其中c是光在空氣中的速度，約30cm/ns。通過傳播時間td，便可以確定目標距離。圖2的下圖描述當發送更大脈寬(足夠大)的脈衝光訊號時，反射的脈衝開始重疊，此時很難區分環境中的特徵。 圖2　脈寬對光學雷達距離解析度的影響(上圖：窄脈衝使反射易於區分。下圖：寬脈衝在反射中可能會重疊，難以區分並降低距離解析度) 假設以脈寬1奈秒的脈衝電流驅動雷射二極體，此時對應脈寬30cm的光脈衝。當目標特徵接近15cm或更小脈寬時，此時接收到的脈衝訊號開始重疊，並變得難以區分。儘管各種訊號處理技術可以提高給定的脈寬的分辨率，但窄脈衝可以提供更好的固有精度，並且在實際上，人類尺度的分辨率大約要求訊號的脈寬為數奈秒或更短。 脈衝能量是確定光學雷達系統測量距離範圍的主要因素之一。對更高解析度的需求使設計朝著更窄脈衝方向發展。此時，必須增大二極體的電流，才能保持足夠的脈衝能量。典型的脈衝電流幅值在數安培到數百安培。多款雷射二極體的額定脈衝電流在數十安培的範圍內，可以在窄脈寬、大電流下運作這些雷射二極體，並獲得較高的峰值光功率。總而言之，光學雷達系統應用對雷射二極體的典型要求導致現有商用雷射二極體的峰值脈衝電流範圍從幾安培到數百安培皆有，且脈寬為1奈秒至10奈秒。 GaN挾高性能/低寄生電感雙優勢成就雷達驅動器 用於光學雷達系統的典型脈衝雷射驅動器通常使用與雷射器和電源串聯的半導體功率開關元件，其性能受寄生電感和半導體功率元件的速度所限制。在過去的十年中，極具成本效益的GaN功率FET和IC已商業化，其寄生電感明顯降低、且開關品質因數(FOM)優於等效Si MOSFET元件10倍以上。 隨著eGaN FET和IC的問世，進而能夠以簡單、小巧的電路、低成本地實現所需性能。若在給定的峰值電流能力下互相比較，eGaN FET的性能大大優於傳統Si MOSFET元件，可實現更快的開關速度，GaN技術則能夠支援短距離和遠距離光學雷達感測器的設計(圖3)。對於遠距離系統而言，GaN元件可在數奈秒內提供高達500A的大電流脈衝；GaN元件還可以為電流要求較低但仍需要窄脈衝(小於1奈秒)的短距離系統提供解決方案。GaN元件的高性能及其晶片級封裝的低寄生電感使eGaN FET成為脈衝雷射驅動器較理想的功率開關元件。 圖3　GaN元件可支援短距離和遠距離光學雷達系統 最簡單也最常見的雷射驅動器方案是共振電容放電驅動器。如圖4所示，FET Q1透過寄生電感L1和雷射器DL使電容C1共振放電。為了消除寄生電感L1帶來的影響並實現所需要的快速電流上升時間，C1需充電至相對較高的電壓(通常為25~150V)，FET Q1必須能夠承受這個電壓和傳導峰值電流並在1奈秒或更短的時間內導通。eGaN FET是目前唯一可以滿足這些要求的現有低成本半導體功率開關元件。 圖4　簡化後的雷射驅動器及其關鍵波形 遠距光學雷達以大電流驅動 EPC9126和EPC9126HC是針對遠距離直接飛行時間(DToF)應用的大電流雷射二極體驅動器的演示系統，它在設計中採用宜普電源(EPC)所推薦的基本最佳布局原理來最小化寄生電感。EPC9126內建通過汽車及認證的eGaN FET EPC2212，該元件可輸出高達75A且脈寬小於2奈秒的電流脈衝到雷射器中。更大電流版本的EPC9126HC則最大可以產生150A的電流脈衝、且脈寬小於3奈秒。 兩款驅動器中都內建針對關鍵波形的感測功能，並且可以相容多種雷射器封裝形式。為了獲得最佳的性能，可以針對特定雷射器優化PCB，例如採用低電感表面貼裝脈衝雷射器OSRAM SPL S1L90A_3 A01，並與德州儀器(TI)高性能閘極驅動器LMG1020配對使用。圖5的EPC9126HC演示系統在應用中產生脈寬2.51奈秒、135A的電流脈衝時所測得的波形。 圖5　EPC9126HC性能測試波形 短距光學雷達優化間接飛行時間 EPC9144雷射驅動器演示系統針對間接飛行時間(IToF)應用進行優化，能夠產生總脈寬窄至1.2奈秒、電流高達28A的脈衝來驅動雷射二極體。EPC9144內建已經接地並通過汽車級認證的eGaN FET EPC2216，同時採用TI的閘極驅動器LMG1020來驅動。PCB設計中最大程度地降低了電源環路電感，同時保持雷射二極體或其他負載的安裝靈活性，板上還包括多個用於電壓測試的被動探頭，並配備用於輸入和檢測的MMCX連接。 此外，該電路板還設置一個能夠進行亞奈秒級運作的窄脈衝發生器，用戶可以透過移除電阻直接為閘極驅動器供電。電路板出廠時設定的工作邏輯電平為3.3V，同時也配置電平邏輯轉換器和差分接收器以適應1.8V邏輯電平或低壓差分訊號(LVDS)等不同應用情景。圖6為EPC9144演示系統以及其在應用中產生脈寬1.2奈秒、8.3A的電流脈衝時所測得的性能曲線。 圖6　EPC9144性能測試波形 車規級認證產品為雷達應用範圍 針對車規級光學雷達應用系統，EPC已發布多款通過AEC-Q101認證的產品，其中包括額定電壓80V且脈衝電流能力75A的EPC2202、額定電壓100V且脈衝電流能力75A的EPC2212、額定電壓80V且脈衝電流能力17A的EPC2203，以及額定電壓15V且脈衝電流能力28A的EPC2216，並有多款針對光學雷達應用的電晶體及IC正在進行汽車級認證。 GaN為雷射驅動器性能突破關鍵 GaN功率電晶體與IC的卓越性能，使雷射驅動器的性能得到突破性的發展。在幾平方毫米的面積上產生數奈秒脈寬的大電流脈衝，進而提供數百W功率的能力，成為製造低成本、高性能的光學雷達系統的關鍵因素之一。因此GaN功率元件進一步擴展光學雷達應用的領域，並且提高至關重要的精確度，其應用領域主要包括自動駕駛車輛及人臉識別、倉庫自動化、無人機和拓撲繪圖等其他ToF應用。目前雖仍處於GaN-on-Si功率元件技術的發展初期，但是與處於技術瓶頸期的Si MOSFET相比，eGaN FET的迅速發展，將進一步擴大其效能差距。 (本文作者為宜普電源執行長暨共同創辦人)  

本文將介紹支援溫度偏差的元件類型，以及如何將其進行多種應用。 溫度偏差是指對特定裝置的支援，在高於正常溫度範圍下進行最大時間的運作。對於支援該功能的元件來說，如果無需持續在最高環境溫度下與/或最大功率下作業，使用者通常可以將最高工作溫度設置為比額定值高10℃。標準擴充元件可以持續在0℃到100℃的溫度範圍內運作超過十年。同樣地，工業級元件(一般用於室外應用)也可在-40℃到100℃的溫度範圍內持續運作超過十年。溫度偏差能支援上述元件在100℃至110℃的溫度範圍內進行短時間的運作。 表1所列元件經測試後即使在高達110℃下作業也能符合Vivado設計套件要求的時序效能水準。除了選擇適當的速度等級外，在Vivado工具內無需進行其他設置或調整。這些元件可以針對特定運作時長支援更廣的工作溫度範圍，且依然能夠確保十年的完整作業壽命。 使用溫度偏差時機力助元件散熱 有多種情況下使用溫度偏差規格都有助於改善散熱設計，以下將介紹三種情況。 室外運作易受環境影響 部署在室外的應用由於外部條件的變化，而出現較大的環境溫度波動。不同季節會有不同的日間高溫，而夜間因為溫度與太陽輻照強度降低，可以在較低溫度下運作。一般情況下，最高作業環境溫度僅出現在每年中少數幾天的幾個小時內，例如夏季最炎熱月份中的午後幾個小時。相關資訊可從多家政府機構網站得知。如加州死亡谷是美國與世界上最炎熱的地方之一，其年溫度資訊如圖1所示： 夏季至冬季的溫度變化達30℃，最炎熱月份的日間溫度變化大於15℃。該資料也顯示，雖然最炎熱時溫度超過47℃，但全年溫度超過43℃的時間不足5%。當使用Versal工業級元件能夠在5%使用壽命的情況下在高達110℃的環境運作，而部署在該環境下的應用，最高安全工作溫度可設計為比環境溫度低4.5℃。對於環境溫度變化更加劇烈的情況而言，允許的溫度偏差也可能達到10℃。 圖1　加州死亡谷全年平均高溫與低溫—全年溫度高於43℃的時間不到5% 因應臨時設備故障　元件可於升溫時運作 工程師可能需要針對臨時性設備低效運作或散熱風扇故障進行設計，這種情況下局部環境溫度會上升，但不會持續很長時間。在此情況下，溫度偏差可以讓元件在環境溫度升高時持續運作，直到問題解決。部分標準已將此種情況納入考量，如針對電信所設計的Telecordia NEBs GR-63標準，表2便列出部分Telecordia規格，其中需要在比典型工作環境高10℃的溫度下進行有限制的運作。借助溫度偏差規格，散熱工程設計師可以將操作規範的限制納入考量，讓產品在40℃環境溫度或110℃接面溫度(Junction Temperature)下運作。無論設計是否必須遵守特定的操作規範，採用溫度偏差都能提供額外的運作幅度，以因應如風扇故障這種不可預期或鮮少發生的狀況。 短時間內執行高強度運算 在眾多應用中，處理需求與運算需求將隨著元件上的資訊流量大小、類型與對應狀況發生變化。大多數此類應用中峰值功率只出現在極短的時段內。因此，由峰值功耗引起的溫度升高相對稀少。對於需要在短期內執行高強度運算的設計，則可使用溫度偏差來簡化散熱設計。 表3所示各種應用分析場景下，運作功耗如何隨著不同的運算強度發生改變。此外，表3還根據運作功耗算出最大環境溫度下的最大接面溫度。 然而，與上述分析關聯性最高的為每種運作場景下的運算時長。根據研究，運算強度最高的情況不會在應用生命週期內長時間發生。利用這類資訊可以對熱參數進行相應調整，借助溫度偏差提供更簡便、更低成本的散熱設計。 綜合上述分析與結合其他因素可以進一步提供改善。如在汽車功耗分析中，發現最高溫度出現在暴雪天氣。然而，也可假設這種情況不會出現最高環境溫度。對此進行深入分析，甚至能發現更高的運作幅度。此外，在汽車運作的室外環境下，部分應用場景不會保持最高環境溫度(如夜間行駛或是冬季行駛)，綜合考慮功耗與外部作業條件後，可以發現元件接面溫度出現預計最大值的情況相對少見。 使用溫度偏差調整預估功耗 在確定最高工作溫度僅發生在元件偏差限值範圍內後，應根據此判斷進行功耗調整預估與散熱設計分析。 早期功耗預估應在未使用溫度偏差時進行，但有一種情況例外：最高工作溫度應調整至預期最高接面溫度。在完整使用溫度偏差時，最高接面溫度應為110℃。為此，使用者只需要在XPE中「接面溫度」欄位選擇圖4　在溫度偏差範圍內可執行有效功耗預估「使用者改寫(User Override)」，就可以指定調整後的最高接面溫度(圖2)。 圖2　XPE中使用者改寫接面溫度設置   總功耗將根據指定的接面溫度進行調整。若XPE中的總功耗欄位變成黃色是因為該數值不在正常工作範圍內。但只要最高接面溫度不超過溫度偏差的限值範圍，就能執行有效的功耗預估(圖3)。 圖3　使用溫度偏差時的範例XPE結果 在特定溫度偏差下的功耗預估十分可靠，那麼「Total On-chip Power」值就能透過廠商如賽靈思(Xillinx)元件所提供的熱模型執行熱模擬。若熱模擬可確認接面溫度維持在最大預計偏差額定值下，並有足夠的散熱幅度，該散熱設計即已完成。 圖4　在溫度偏差範圍內可執行有效功耗預估 溫度偏差能夠在眾多設計中用於提高元件的作業溫度上限，達到簡化散熱設計的目的。透過簡單的設計分析即可判斷是否能執行溫度偏差，若可行，則可直接進行功耗調整與熱分析以確保元件的正常作業溫度。針對無法準確判斷是否能使用溫度偏差的設計，上述有利的功能也能為其提供額外的散熱幅度；而能夠完整使用溫度偏差的散熱設計便可獲得提高運作速度、降低成本與散熱設計難度等眾多優勢。 (本文由賽靈思提供)

本文將探討是什麼吸引眾多的系統架構師和機械設計工程師來使用盲插光學互連系統，以及相應的設計要求、光纖密度的推動因素、維護作業、產業動態及人們對於未來需求和挑戰的看法。 與前面板光學連接作業一樣，板載光學(OBO)模組可以透過標準的多光纖圓形護套光纜、帶狀光纖或者附著到OBO模組上的帶狀預成型光纖技術，方便地連接到光學背板連接器上。 光學的FlexPlane還可以結合FlexPlane端上於光學背板的連接元件以及另一端上附著的OBO來使用。透過這種方式，可以在系統元件內部實現密度較高、極其複雜的光纖埠映射。在很多方面，硬體設計師和系統架構師都被這類介面技術所吸引。 ・釋放前面板空間，進而增加氣流以及用戶端介面或網路介面。 ・不再需要為前面板的布線連接進行手動安裝，進而加快系統部署、升級與維修的速度。 ・提高互連系統的密度並簡化光纜的管理，遠遠超越傳統的前面板光學連接器和光端機。 ・通過特定於系統的內置連接配置，例如光學重排，可以實現線卡和抽屜的標準化，進而使用機殼外部的標準結構化布線，這樣就允許系統元件達到更高程度的模組化。 圖1　共面、正交和標準光學背板連接器的配置 光學背板連接器類型 在幾十年前，首先上市的是分門別類陶瓷插芯的光學背板連接器，在很大程度上該型連接器都以用戶端的產業標準連接器為基礎，例如MU、SC和LC，以及適合特定供應商應用與定制端的版本。陶瓷單光纖插芯互連系統在介面的每一側都採用圓柱型的套管，套管在陶瓷對開套管內部對準，而該對開套管則固定在一個通常安裝在背板上的配對外殼當中。介面的電路板側是一種定制的外殼，安裝在印刷電路板上，印刷電路板對套管起固定作用，套管的設計可以正確插入對準至背板外殼中。 光學性能和光密度模仿了基於標準的連接器，在尺寸上提供了額外的淨空，供閉鎖和安裝功能使用。埠的數量範圍通常在2到8個連接器之間，採用了1.25或2.50毫米的套管。由於廣泛採用標準的連接器，清潔和檢測作業更加標準化，可以獲得良好的支援。當今的LC盲插介面最常在2、4和8埠的配置中使用，支援多模和單模光纖。 基於多光纖MT套管的光學背板介面最為常見，透過在每個套管上整合多條光纖並且在每個連接器上整合多個套管埠，與陶瓷單光纖套管相比，實現的光纖密度要高得多。埠的數量範圍通常在1到8個MT型套管之間，使用48個光纖套管時，在16×55毫米的面積上可為每個連接器啟用多達384條光纖。這類介面可從多家製造商處供貨，提供眾多的配置與安裝形式，滿足對於卡籠樣式的需求以及特定於系統的機械和封裝上的需求。 MT型套管採用精密成型的聚酯套管，在公端/母端配置中透過金屬導銷對準。內部結合了光學背板連接器外殼，這就需要詳細考慮機械調準和密封問題，以實現正確操作。 圖2　BLC，2、4、8 個LC埠 光學背板連接器機械性能概覽 系統架構師與光學背板連接器工程師之間早期溝通具有至關重要的作用，因為系統架構、機械外殼、連接器介面和系統光纖連接方案的需求都緊密聯繫。整個系統中連接器的光纖可以達到較高的數量，過千的數量才能滿足機械、光學元件、光纜管理、熱能及使用上的一系列複雜的需求。如果要在事後向系統設計中添加光學背板連接器，或者甚至由於機械安裝、卡間距以及機殼設計上的要求而對各種不同類型的介面進行更改，那樣幾乎不可能。較為靈活的方面則在於每個連接器上的光纖數量，由於多光纖MT套管，以及為多個MT套管埠提供支援的光學連接器，皆提供眾多可用的選項。光學性能則成為其中的權衡因素，因為隨著每個套管上光纖數量的增加，以及在光纖管理的過程中，一個單獨的光學背板連接器可以實現數百處的光纖連接，光學性能也會隨之降低。 由於配對時幾何外型以及連接器類型的關係、所需的閉鎖力和夾持力上的細微差別，光學背板連接器的機械設計與安裝要求，會很大程度地影響機殼的設計。顧及套管都是單獨承受彈簧載荷，在光學背板連接器或者在卡的前面板插鎖上就必須考慮這些力。每個MT套管上的彈簧力範圍從12光纖套管上的10牛頓起，一直延伸到每個套管上24條以上光纖情況下的20牛頓，對於連接器上的每個套管埠來說彈簧力將倍數成長。考量帶有8個24光纖MT套管埠的光學背板連接器，以及每個卡上4個連接器的情況，則每個卡上所需的夾持力將增加至640牛頓。光學背板連接器提供兩種類型，即自鎖式和非閉鎖式，對於後者來說，卡插鎖和機殼/背板結構必須將套管彈簧壓縮，並將各個卡和連接器保持在插入狀態。 自鎖式光學背板連接器提供了額外的Z軸行程，或者根據背板的設計公差提供浮動式的緩動卡。兩種版本之間的權衡因素在一定程度上取決於每種連接器的設計，並且插鎖會增加額外的尺寸、提高設計上的複雜性與元件數量，因而影響到密度、連接器的複雜程度及成本。這就是造成擴束和備用套管介面產生吸引力的原因之一，因為它們可以在很大程度上降低使套管保持接觸所需的彈簧力，在獨立於光纖數的情況下，往往可將所需的力減少5到10倍。 光學背板連接器通常安裝在後面板上，後面板上設有開孔，可使連接器安裝在內部，進而使光纖通過，抵達機殼的背部。就像電氣背板連接器一樣，光學背板連接器也提供多個版本，可以支援共面、正交和標準的卡籠設計，以及更新型的機架式抽屜/滑道架構，這些版本的安裝方法與機械要求各不相同(圖1)。安裝方法包括螺絲安裝、鉚釘安裝、固定夾安裝及滑入配合，要求連接器外殼進行機械懸浮，進而在卡或抽屜元件放入到背板/機殼中時滿足插入公差的要求。 如果卡籠或機架的機械公差超出了連接器支援的範圍，則通常會利用導銷來提高配對精度。由於光學連接器通常較長一些，或者首先要按照配對順序來插入，因而不能使用電氣連接器來發揮引導的功能。此外，板上安裝的電氣連接器不會浮動，因此光學連接器必須提供浮動功能以避免多個介面之間結合。機械設計人員必須仔細考慮這些事項，並且在連接器的選擇過程中也必須加以考量。 機械和環境性能的測試與資格標準，根據涉及的多光纖連接器的TelcordiaGR-1435-CORE標準確定。這類連接器的耐久性和性能主要由套管的性能來決定，其中的最佳光學性能可以超過已確定的50次插拔的要求。特定於系統的機械管理和光纜管理驗證作業在整個開發過程中都相當關鍵。 圖3　HBMT─4個MT埠 光學背板連接器的一個獨一無二的特點在於，推動著各家供應商之間進行協調或者促進互通性發展的行業標準少之又少。主要是在VITA和ARINC的組織當中，標準化方面的工作開展極其有限，重點關注的還是苛刻條件的環境及航太應用，在這些應用中只有少數幾家供應商可以實現交互操作，而在設計上還沒有完全協調。在光學背板連接器製造商當中，用於保護和固定光纜上的套管以及連接器外殼內部的套管的設計方法存在著很大的不同，各家製造商都嘗試在密度、魯棒性和易用性之間達到一定的折衷。一些低密度的版本將工業標準的MPO/MTP連接器作為配對介面，而大多數的版本都採用專利的固定夾和連接器，使得供應商的互通性根本無法實現。對於系統設計人員及使用者來說，重要的一點在於要充分瞭解光學套管在安裝夾中的固定方式、製造和維護過程中在主連接器外殼上的安裝與拆卸流程，以及在計畫使用的系統中開展可能的檢測或清潔作業的方法。 圖4　Vita 66.1─2個MT埠 替代用的多光纖套管解決方案正在開發過程中，可以解決終端使用者在魯棒性和易用性上的問題，目標則是降低總購置成本。這類套管具有的其他優勢還包括降低了對灰塵/碎屑的靈敏度、減小了彈簧力、採用不同的機械配對方式，同時具備對準方面的優勢。就像任何物理配對介面一樣，在套管表面保持一定的潔淨度，進而使光纖到光纖的接觸不發生減弱，對於光學性能以及防止光纖表面發生損壞來說至關重要。在光學背板連接器中，這一點尤其重要，因為在操作套管介面以進行清潔和檢測時會更加困難。套管和光纖的碎片引起了業界對不需要光纖到光纖物理配對套管介面的興趣，這類套管包括擴束套管和光纖間隙套管。當替代用的多光纖套管在體積上是以工業標準的MT套管為基礎時，它們就可以在任何基於MT套管的背板連接器中實施，進而拓寬連接器的應用領域並降低總購置成本。 圖5　VFI 產品族─2、4、6、8個MT埠 光纖介面清潔與檢測至關重要 由於光學背板連接器往往安放在機殼或者機架，或者間距較窄的卡內部較深位置處，對介面的操作會受到限制，因而光纖介面的檢測和清潔工作會受到極大的影響。此外，安全活門也是光學背板連接器上經常採用的一種方法，用於為套管介面提供保護，同時有助於確保眼部安全，因此完全的防塵往往並不可行，使清潔和檢測用品成為一種必需的條件，在工廠和現場使用時需要考慮在內。在系統的待機卡針對具體的機殼和光學背板連接器的實施作業而正確安裝並定位後，可以透過這些待機卡上特定於連接器的固定裝置來實施工業供應商提供的清潔和檢測設備。由於其中存在著極大的複雜性，在運送含有出廠前已檢測、清潔過並獲得良好保護的介面的系統元件時，需要非常小心，這樣才能使首次裝機的系統啟動速度達到較高的水準，否則長期的維修和檢驗作業需要付出更多的人工。這些挑戰都起了強大的推動作用，使業界增加對擴束套管和替代套管技術(例如氣隙套管)的興趣，因為在檢測、清潔和終端使用者的購置成本中，這些技術可以為其中的許多方面減輕負擔。 圖6　FlexPlane光電路 圖7　正交光學─9個MT埠 圖8　MTP-CPI─1個MTP連接器埠 背板連接器未來需求與挑戰 光學背板連接器的路線圖應包含以下幾個方面： ・版本支援機架式架構之類的新應用，整合更大的機械公差和魯棒性，進而適合大型和重型的抽屜和/或滑道使用。 ・版本在每個套管或每條光纖上降低插入力，以便實現更經濟的卡設計與背板設計。 ・整合替代用的多光纖套管技術，簡化部署和使用，同時減輕清潔和檢測上的負擔，進而降低總購置成本。 ・改善清潔和檢測技術 ・支援新的光纖類型以提高密度、縮小光纖的體積 ・在標準化潛力方面開展工作，為供應側確保安全性並通過更加廣泛的採用來增加使用數量 (圖2~8所示為莫仕(Molex)提供的光學背板互連系統，其中的一些範例。)   (本文作者任職於Molex)

以下將分享四個協作型機器人在焊接和金屬製造領域中的應用，展現協作型自動化在金屬製造業的潛力。 Vectis協作型機器人電焊機工具可以將所有硬體設備整合至一台3×6英尺的行動模組化夾具車，使金屬加工作業員可將協作型機器人投入自身工作中，或將非定點或毋須限制作業空間的工作交由協作型機器人來處理。 金屬製造商以協作型焊接機器人提升生產率/利潤 像總部位於威斯康辛州的Processed Metal Innovators(PMI)正面臨焊接人員嚴重短缺的困境。PMI營運副總裁Erik Larson表示，大量的焊接需求使得該公司在招募人力上不得不一再降低標準，依目前的工作量評估，必須要再多僱用30多名焊接工以符合生產需要。藉由一次導入簡易機械沖壓應用的機會，PMI認識Universal Robots，該應用透過雲端連結UR協作型機器人進行作業，並在系統整合商Hirebotics的協助下完成應用導入設定，並依機器人使用時數支付費用。Hirebotics和北美焊接工具租賃商Red-D-Arc Rentals、工業氣體供應商AirGas與AirLiquide等攜手合作，開發出由UR10e協作型機器人驅動的BotX Welder自動化焊接解決方案。 Larson認為此一解決方案可被視為小型焊接工作的未來，回憶導入過程時他提到，Hirebotics在短短兩個小時內即完成BotX的安裝，而PMI團隊在安裝完畢的30分鐘之後便能開始執行程式。使用者透過BotX的App端即可執行已預先編程的焊接作業，這些編寫好的程式中包含多種經過認證的焊接製程，一旦設定完畢，任何操作員都可以操作。 在BotX中運作的系統程式皆獲得專業焊接人員的知識支援，協作型機器人所使用的每一個焊接角度、方向、速度和每個零件設置都需要經認證的焊接人員協助編程設定。在設置BotX之後，協作型機器人將執行焊接作業中最容易實現自動化的環節，藉由讓焊接人員專注於亟需人力鑑別和補焊的流程，可以創造翻倍的生產效率。如今人們在PMI的工作變得更有保障，焊接人員不僅執行焊接作業，更負擔起直接管理協作型機器人的責任，而這歸功於協作型自動化帶來的產能成長，也使得該公司擁有更高的競爭力來開發更多業務。 由於PMI的批次生產量低至20個，無法使用傳統的自動化解決方案，也無法享受其所帶來的品質優勢，但憑藉BotX的簡單編程和靈活性，即使在最小產量的運作期間，也能實現自動化的高品質。Larson表示，BotX提供了人工作業無法達到的生產一致性，當設定好特定的焊接位置，協作型機器人就會在該特定位置完成作業。舉例來說，如果設定焊接點為兩英吋，那無論由誰來執行程序或擺放零件，每個焊接點都將是兩英吋。然而，若採用傳統手工焊接，焊接人員不一定能準確地理解兩英吋代表的意義，結果可能導致每個焊接點為一又四分之一英吋或一英吋半，也有可能因焊接人員的誤解，導致每個焊接點之間都相隔兩英吋或兩英吋半。協作型機器人可以排除這些不必要的猜測，以確保焊接作業在正確位置進行。 機械工廠導入協作機器人　執行去毛邊作業提高產能 而法國機械工廠BWIndustrie對於金屬零件處理和工具機方面的應用並不陌生，他們過去即曾在工廠裡導入五台協作型機器人。最近，BWIndustrie將最新的UR16e協作型機器人部署在具高負重需求的去毛邊應用中。以往這些去毛邊作業都是由人工來完成，工廠作業員每次要搬運4~14公斤的零件，日復一日地舉重負荷導致嚴重的職業傷害。該公司每年的批次生產量落在300至300,000個零件不等，他們希望即使各個零件的尺寸、形狀和重量有很大的差異，仍能保證複雜的去毛邊作業具一致性。 而UR16e不僅可以完成工作，且機器人從交付到正式投入生產僅需短短兩週，創下BWIndustrie歷次導入以來的最短紀錄。此外，當訂單數量達到巔峰時，一般被認為必須採用傳統自動化作業才能達成的高產能，在導入協作型機器人後也能被常態實現。 在BWIndustrie的工廠中，UR16e位於一個被表面銑頭、帶式砂磨機和多種粒度尺寸的砂輪等去毛邊工具所環繞的開放式空間，尚未完成的零件放置在簡易的進料盤中，由協作型機器人一一取出，並透過一系列的處理步驟來達成指定的表面光潔度，最後機器人會將完成的零件放入出料盤(圖2)。 BWIndustrie導入的UR16e被用於處理4~14公斤的零件，有效滿足產線負重多樣化和設計靈活性的需求。 航太業維修導入協作型機器人至熱噴塗環境 位於德州的航太業維修中心Aircraft Tooling(ATI)則曾面臨將高速氧氣燃料(HVOF)熱噴塗作業自動化的困境。熱噴塗部門主管Juan Puente便表示，傳統自動化解決方案的成本太高，該公司看過的鑄鐵機體積都太過笨重，沒辦法輕易在限定空間內移動；且傳統自動化解決方案不僅編程困難，所有作業又都需要額外的安全防護措施，無法實現於小型零件的熱噴塗作業。他們後來所選擇的UR10因成本僅為傳統機器人的一半、可以靈活拆卸並轉移至其他產線上應用，且毋需額外的圍欄或防護措施，同時解決成本和利用率等問題，成功滿足需求。 最初，嚴苛的熱噴塗環境讓ATI對於UR10的耐用性產生疑慮，因為ATI所使用的碳化鎢有可能損毀暴露在外的機器人軸承；但在導入三年以來，UR10的軸承中並沒有粉塵入侵，更毋須為此維修。此外，Puente也回憶當時的另一個顧慮，表示該公司也擔心噴槍的後座力可能使協作型機器人失去平衡或干擾其伺服功能，因此試圖用最大的壓力讓機器人反彈，結果UR10不動如山，絲毫不受影響。而該結果對控制系統整合商Olympus Controls來說並不意外，協助ATI導入此解決方案的Nick Armenta表示，很多人都認為協作型機器人非常脆弱，但事實上剛好相反，它們密封防塵且耐高溫，在特定極端環境下也能像在無塵室裡一樣穩定運作，非常耐用。 為節省廠房空間，ATI以倒立方式安裝UR10，儘管如此，這台機器人仍然能以恆定的速度進行均勻噴塗，作業人員因而可輕鬆在產線間移動而不妨礙機器人運作；此外，ATI借助Universal Robots的教學編程系統，僅花四個小時便完成安裝，現在他們正準備再添購兩台協作型機器人，導入視覺和品質檢測環節，以進行更複雜的應用(圖3)。 圖3　ATI熱噴塗部門主管打開HVOF火焰噴槍後便離開，讓UR10獨立執行噴塗作業。 金屬加工商整合舊式機械提一站式解方 至於同樣位於德州的All Axis Machining利用CNC機械、雷射刻印工具和EDM線切割機，生產大量混合物料和少量零件。像許多小型機械工廠一樣，他們面臨整個企業中產生連鎖反應的人力短缺問題。負責人Gary Kuzmin表示，人力不足導致該公司無法按時交付訂單給客戶，進而影響該公司的競爭力和利潤。儘管試圖從傳統自動化解決方案中尋求出路，結果卻不盡人意。All Axis Machining使用大量的舊式機械，然而在傳統的機器人解決方案中，單一機械只能為單一應用進行專門的編程設置，為了實現所有產線自動化而犧牲廠房空間的作法顯然並不合理。協作型機器人即為解決此一困境而生，且立竿見影，為All Axis Machining取得利潤增加60%、零件初次交付提前2到5個月、主軸正常運作時間從8小時增加到20小時等顯著成果。由於UR10的重複精度達0.1毫米，使打磨和去毛邊的品質也得以提升。操作人員能夠透過一系列訓練模組，學會操作如Universal Robot開發的直覺化編程介面，將自己對機器使用的專業知識有效應用於協作型機器人的程式優化中。此外，為了能夠每天處理20多種不同的零件，像All Axis Machining這種產線高度混合的工廠，必須能在5到10分鐘內快速轉換生產模式，而像是為Universal Robots提供終端應用套件的平台UR+，便能滿足這個需求(圖4)。 圖4　All Axis...

類比式示波器在過去有著無與倫比的真實波形呈現，讓工程師們特別喜愛它的快速波形，但其無法穩定觸發與儲存波形的限制；隨著電子產品的進步與報告量的增加而來的便是數位儲存式示波器被廣泛的使用。然而雖然數位式示波器有著良好的功能如多種觸發方式、自動量測、儲存介面與電腦連線到創新的PC base架構，但是其無法即時呈現真實的波形卻讓工程師們在驗證除錯上耗費更多時間。 現今各家廠商在頻寬，即時取樣率與紀錄長度外，提升垂直解析是各家廠商在數位即時示波器上爭相研發的目標，其目的是希望藉由提高波形解析(分辨率)來達成示波器精準測量的效果，高解析扮演著重要的精準量測的角色。 數位示波器強化精準量測 一般而言，一部好的示波器必須具備： 1. 良好的頻率響應，在-3db定義下，必須保證足夠的頻寬。業界以3~5倍頻為基準。 2. 即時取樣，提供4~10倍取樣頻率達到訊號完整性。 3. 記憶深度，長時間有效擷取訊號不失真，支援歷史回放完整記錄波形。 4. 波形更新率，每秒高達數萬到數十萬次的波形更新率，真實快速呈現異常訊號。 5. 低雜訊與抖動，提供數位觸發系統確保示波器本身低雜訊與準確觸發，並提供可調濾波功能。 6. 高位元的呈現使得量測波形不隨著垂直刻度的變化而造成量測值的誤差。 7. 自動量測與統計。 8. FFT與通訊訊號分析工具。 9. 具備高解析模式測量鏈波與小訊號。 10. 簡單易學的操作介面。 11. 提供多功能自帶電表、訊號產生器、資料紀錄儀、頻率響應分析等。 高解析/長紀錄/波形更新加速驗證及除錯 高解析、長紀錄與波形更新率是新一代示波器加速工程師驗證與除錯的一大創新，使得示波器在測量小訊號時擺脫傳統示波器的馬賽克效應，並呈現最佳波形。例如量測儀器廠商OWON的XDS系列導入12/14位元硬體類比數位轉換器(ADC)，精度是市場上其他示波器的16/64倍，可以觀察到低至31.25μV/div的訊號(圖1)。 圖1　12/14位元ADC與Zoom功能 傳統數位示波器採用的是8位元的ADC，其垂直分辨率為1/28。高精度示波器採用硬體12/14位元高速ADC，其解析度為1/212，比8位元示波器高出16倍，能展現更完整還原訊號真實情況，展現更多波形細節(圖2)。用8位元示波器和12位元示波器測量相同的200mVpp訊號。正常採樣時看，兩者區別很小。但暫停放大觀察時，兩者的區別就十分明顯。因此12位元示波器比傳統8位元示波器能夠捕獲更多的波形細節就是關鍵。 圖2　8bit馬賽克效應vs 14bit 透過高解析示波器捕獲訊號的真實情況，可更清楚地觀察大電壓訊號範圍中的小電壓訊號。除此之外，12位元示波器還能夠檢測到更小的訊號波動情況(圖3)。 圖3　高解析度的12位元示波器可以捕捉更多訊號細節 示波器垂直解析度通常為8位元，但實際上真正有效被應用到的有效位元一般在3~4位元左右，所以傳統數位示波器通常會教育客戶要將波形調整至接近螢幕的大小，或者盡可能的接近螢幕的3/4左右，此時的垂直解析度能有效的被運用。但是當工程師同時使用2個或4個通道時，被迫必須將波形縮小以利觀察訊號與量測，但是此時量測誤差已經出現，因此OWON提供12/14位元垂直解析度的選擇，量測波形不隨著垂直刻度的變化縮小波形而造成量測值的誤差，這是技術創新與高性能的表現(表1)。 表1  12/14位元垂直解析度選擇 不同頻率交替觸發便於觀測 觸發是示波器的關鍵功能之一，能夠捕捉到特定的訊號事件進行詳細的分析，並提供了一個穩定的重複波形。其在20世紀40年代發明以來，示波器觸發經歷了連續的創新。OWON提供了+-1ppm的時基精準度並且在不同頻率的波形量測下有效穩定交替觸發，為工程師提供觀測訊號便利(圖4)。 圖4　不同頻率下依舊可以進行量測 波形記憶深度攸關高頻訊號擬真 數位示波器是透過ADC將電子訊號以取樣點與正弦(線性)內插的方式將波形建立起來(圖5)，並根據奈斯定理：取樣頻率為待測訊號頻率的兩倍為理論基礎。 圖5　數位示波器波形建立方式 當示波器長時間抓取訊號時，取樣率就會隨的時間變長而取樣率下降變低，當違反奈斯定理時稱之為失敗波形的還原或者稱之為贗頻。此時長時間紀錄就需要足夠的紀錄長度使得示波器能夠有能力抓取更高頻率的訊號而不失真。若以OWON XDS 40M取樣點在抓取100KHz的方波訊號，使用1MS/s的取樣率(10倍)(圖6)，可以抓取30秒鐘(圖7)。 圖6　100KHz方波/1G高取樣/40M紀錄設定 圖7　數位示波器紀錄30秒波形不失真頻率準確量測 新波形紀錄/克隆技術掌握突發狀況 創新波形紀錄與克隆技術，其技術核心為錄製波形與紀錄，在複雜與危險的環境下紀錄波形以利後製處裡，隨時掌握關鍵突發波形與紀錄(圖8)。可配置電表作為更長時間資料取樣記錄儀使用。克隆資料擷取技術(Waveform Clone Technology)，有別於傳統波形擷取儲存，高明的AD/DA技術(可內置訊號產生器)，使得示波器在進行擷取突發或偶發以及觸發訊號時更準確的在重現波形與分析波形與雜訊的分析的一大利器(圖9)。工程師在驗證除錯過程中多了一個創新的選擇，革命性的改變解決了對傳統數位示波器無法解析細節反應與重現波形的詬病。 圖8　波形克隆與輸出 圖9　波形錄制與回放 EMI預測試落葉歸根為關鍵 現代的量測中基於電磁干擾測試的普及，EMI的先行測試格外重要，OWON在EMI的PRE TEST也不缺席並推出頻譜分析儀，運用示波器測試EMI行之有年但是如何回歸基本，是應用時的關鍵(圖10)。 圖10　利用示波器量測EMI 示波器不能取代電磁干擾測試儀，特別是在執行符合性測試，但它可以是一個良好的EMI測試和快速除錯工具。 數位協定驗證除錯於多領域普及 示波器回歸基礎還是以訊號的完整性量測為優先考慮，選對頻寬並搭配適合的探棒是一個關鍵。對於接地是否乾淨，是否有寄生電容，電感效應所產生的共振頻率，串音與否以及雜訊的干擾等都是量測時必須考慮的重要環節。近年來示波器的發展已隨著嵌入式系統的突飛猛進在各個領域中，如晶片設計、通訊、電腦、手機、汽車電子皆須使用示波器執行大量的驗證與除錯，此時多通道的需求應運而生。如OWON示波器提供解碼選項，五種基礎解碼I2C/RS232/SPI/CAN/LIN等滿足客戶在低速控制訊號的設計驗證與多通道的需要。 示波器在現代通訊領域的應用，使用雙通道X-Ymode里賽斯圖形觀察相位變化已經被現在工程師所遺忘，以示波器XY模式觀察相位差對於絕大部分工程師來說更是陌生，而OWON便提供X-Y Mode為設計基礎，加入I/Q Data輸入設定介面，使得從事通訊基頻的工程師得以輕易的使用示波器觀測星座圖(圖11)，另一方面OWON投入新型任意波訊號產生器研發，推出頻率更高，內建數十種常用與特殊通訊與調製訊號波形，協助降低廠商產品驗證投資成本。 圖11　BPSK星座圖(使用OWON XDG作為訊號源) 頻率響應分析迎全新體認 為快速測量待測物在某一個頻率點的頻率特性，並快速解決電路元件測試而生。在示波器的基礎上配置訊號產生器來完成實現頻率響應分析的功能，使用示波器完成gain增益/phase相位量測變得相當容易(圖12)。 圖12　FRA頻率響應分析唯一階RC電路 本文希望透過新示波器面面觀傳達給讀者與示波器使用者對示波器的全新體認，並且在不丟失過去基本的量測理論上進一步強化新一代示波器所帶來的創新量測技術與革新。示波器的發展已經進入一個全新的領域，新的特性與多用途功能可以幫助工程師們節省時間，快速評估關鍵性的量測，達到更直觀的分析、簡單的操作以及豐富的配備。協助使用者輕鬆遊走在數位與射頻領域的驗證與除錯。 (本文作者為OWON資深工程師)

NB-IoT聲勢看俏 物聯網(IoT)正在快速成長中，根據2016年Machina Research的研究調查顯示，2025年以前全球預計將部署270億個聯網裝置。這些裝置都需要安全、可靠且無所不在的聯網功能，以便產生有價值的洞察力來驅動效率，並取得競爭優勢。要促成這些，蜂巢式技術不但具有理想的定位，也具有所需的擴充性；但有鑑於新的物聯網裝置與服務日益多樣化，人們需要新的蜂巢式技術以滿足特定的聯網需求。 NB-IoT是新興低功耗廣域網路(Low-Power Wide-Area Network, LPWAN)蜂巢式技術之中最頂尖的一種，可以滿足大量部署之低複雜性物聯網裝置對聯網連接性與日俱增的需求。NB-IoT技術以低廉的費用，提供較佳的耗電效率、系統容量與頻譜效率。NB-IoT由於設置容易，截至2019年3月止已有28個國家推出，並有超過40個國家的營運商已展開投資，可望對不同的相關夥伴，帶來各種的好處： 對於物聯網裝置製造商來說，相較NB-IoT與LTE-M，其為經濟性更佳的替代方案，原因是裝置複雜性降低，同時裝置製造與聯網成本也比較低；而對於管理大型物聯網部署的企業，它提供較低的成本、低功耗與簡單的協定。至於行動網路營運商(MNO)，它與現有的3G與4G存取網路相得益彰，並可以整合進4G/5G共同核心網與BSS平台。此外，MNO也具有相當的彈性，可以選用可能的營運模式，善用他們的頻率分配資源。 以eSIM RSP遠端管理 通常最適合利用NB-IoT聯網的使用案例，都是為整個裝置群進行遠端監控、裝置是分離的並配有電池電力部署，且使用年限都超過十年。不管是固定或機動，此類物聯網裝置在它們的生命週期中，預計都會看到網路可用性或聯網供應競爭的改變。這意味永久綁定單一MNO的網路可能會有局限性，且容易受到未來聯網成本增加的影響。 變更電信網路是實現直接商業轉換的作法。不過它需要替換SIM卡，這對於擁有廣泛部署且觸及不易的物聯網裝置的擁有者，是個代價高昂的後勤惡夢。為了解決永久綁定單一MNO網路的SIM卡限制，全球行動通訊系統協會(GSMA)與電信業者合作將SIM標準化，讓轉換至其它電信網路時，技術人員不必前往裝置所在地進行實體SIM更換。 GSMA遠端SIM服務開通的規格帶來全方位的解決方案與安全架構，讓人們在所有支援eSIM的裝置上進行營運商設定檔的遠端管理。它伴隨而來的健全的認證與法規程序，可確保功能的可交互運作性，維持與確保網路存取的保護。 接下來檢視M2M RSP程序，以進一步瞭解讓RSP可在NB-IoT上運作的關鍵因素。欲構思具有RSP能力的NB-IoT裝置，表面上看起來似乎是簡單的任務，但其包含NB-IoT連接模組，以及一個GSMA認證且符合相關規格的M2M eSIM；隨後還要完成一些裝置保證與可交互運作性的測試。不過當整個程序進入到選擇蜂巢式元件的階段，就不見得那麼容易。 簡單來說，M2M RSP就是在eSIM裡進行交付，並管理營運商設定檔。RSP透過訂閱管理員-安全路徑(SM-SR)以現有空中設定(Over-the-air)的蜂巢式連接進行，使用的是開機即連的連接啟動設定檔，或是目前現行運作的設定檔。SM-SR會追蹤掌握eSIM的狀況，並握有與eSIM相關之必要的網路整合、密鑰與憑證，以便授權與執行設定檔管理事件。 一旦啟動之後，管理任務一開始會透過現用的設定檔網路，透過SM-SR與簡訊伺服器(SMSC)的整合(結合一個SMPP)，傳送一個包含SIM資料的文字簡訊。成功收到這個簡訊後，卡片會執行指令，或是針對設定檔的下載事件，利用SM-SR建立嵌入資料通訊期，並藉此遞送該設定檔，隨後進行安裝與選項。任務完成後，不管最後成功與否，卡片與SM-SR彼此會交換進一步的應答訊息，以確保卡片設定檔的狀態保持同步。 NB-IoT漫遊仍具發展潛能 如果讀者針對全球性的裝置配送有企圖心，第一個絆腳石將是獲取使用在讀者eSIM上的啟動設定檔，它將透過全球性的NB-IoT網路範圍，提供無所不在的開機即時連接性。 要傳遞提供這些功能的設定檔，需仰賴落實廣泛的網路漫遊能力。倘若沒有漫遊，NB-IoT賦能的裝置將無法跨越各國邊境進行簡易部署。 由於NB-IoT還相當新，永續的漫遊環境與專為NB-IoT打造的完整架構，仍然有待建立。但是，筆者深信仍在發展中如下列示例，很快就會增加全球性的漫遊能力，而市場壓力也會迫使MNO專注加速此事。通常預期漫遊能力一開始會以策略性提供的方式，出現在同一MNO集團內的營運商或關鍵業者之間。不過，現今離實現還有段距離。 MNO正在試驗NB-IoT漫遊協定 沃達豐(Vodafone)與德國電信(Deutsche Telecom)於2018年完成第一個歐洲的NB-IoT漫遊試驗。他們針對包括電力節約模式(PSM)、長週期追蹤區域更新(TAU)等省電功能進行測試；同時於2019年，沃達豐與AT&T簽署了歐洲與美國間的NB-IoT漫遊協定(圖1)。 圖1　沃達豐與德國電信於2018年完成歐洲首個NB-IoT漫遊試驗 裝置須能處理多個NB-IoT頻段 使用NB-IoT的優點之一，是落實MNO時擁有頻譜的選項。當MNO在不同的頻段中運作時，漫遊的挑戰性更高。多頻段天線可以在每個裝置稍微增加一些費用的情況下，應付所有已定義過的頻段。而物聯網裝置製造商可能已經習慣針對單一頻段優化天線，現今隨著漫遊可能性的出現，人們需要更多強大的NB-IoT天線設計(圖2)。 圖2　多頻段天線可使裝置稍微增加一些費用的情況，應付已定義過的頻段 GSMA協會已進行可交互運作性測試 GSMA協會在2019年3月發表的行動物聯網漫遊測試中，針對NB-IoT的漫遊，定義了一整套完整的測試實例。由於測試案例並不知道控制面板與使用者面板的選項，因此他們可以測試所有施行項目，這些測試並不能取代合規測試，而是用來驗證漫遊能力(圖3)。 圖3　GSMA協會已於2018年針對NB-IoT漫遊進行交互運作測試 MNO超前部署NB-IoT三要素 除了沒有NB-IoT漫遊之外，在許多地方若要實際取得NB-IoT的訊號，存在頗高困難度，原因是網路營運商仍然處於擴展狀態，以及如何將此網路足跡商業化的階段。 在許多方面，NB-IoT看起來與實際感覺都與LTE十分相像。MNO可以在他們的網路上利用軟體升級進而支援NB-IoT。安全措施也具有類似情況，都需要同樣基於SIM的身分鑑定與流量加密措施。 在實際試驗中，沃達豐發現NB-IoT比起其它替代選項，更能穿透雙層的磚塊結構建築物。這對於不易觸及的地方，可以帶來更為可靠的感測器連線。NB-IoT可避免干擾與網路對撞，即便是利用單一的行動通訊基地塔部署10萬個裝置。 MNO正在加速推出NB-IoT GSMA協會的行動物聯網論壇追蹤了蜂巢式物聯網的發展進度。截至2019年10月止的資料顯示： ・89家營運商已經推出NB-IoT或正在進行中 ・NB-IoT與Cat-M1目前在52個國家獲得支援 ・相比之下，34家營運商已經推出LTE-M或正在進行中 儘管許多廠商宣稱他們已經部署了NB-IoT網路，他們還是不能對市場提出商業化提案；即便他們可以提出，但網路涵蓋範圍可能仍局限於某個區域內。此外，與2G/3G/4G網路不同的是，單一國家內的所有營運商都不能自我膨脹NB-IoT的部署，這意味已完成部署的營運商可以壟斷市場，而迫使他們調降費率的外部壓力則較小。 不過，針對問世只有三年的規格，各界採用的意圖已經相當明顯。這表示在全球各地的MNO眼中，物聯網龐大的商機貨真價實且持續長久。他們唯一的限制是交付的時間，這被認為是與較優先的5G競爭投資，爭奪工程技術空間。 因此，除非與MNO進行中的NB-IoT網路試驗聯合進行，任何試圖開發NB-IoT裝置的廠商想要讓產品成功推出，將很難獲取所需的連接性。 資料訊息/協定/可用性三者兼具 一如前文已經大致描述，大多數的M2M RSP的實施都需要文字簡訊與資料，才能藉此觸發任務，並進行管理。此外，裝置必須被喚醒並且可使用，以便接收伺服器的指令。 文字簡訊(SMS)的支援，在現有以消費者為中心的蜂巢式網路是已知的事實；且即使面對資料導向的通訊App崛起，它仍然占有穩定的流量。也因為其長期的支援，文字簡訊的支援能力被賦予期待。但是對於NB-IoT網路的部署，文字簡訊的支援並非必要元素，同時許多部署廠商已選擇不提供支援，以降低初始網路建置的工程複雜性，至少現在情勢是如此。 到目前為止，針對現今這種省略文字簡訊的情況，並沒有明確的跨界解決方法。此時存在數種可能性，但它們必須與物聯網裝置的使用案例合併考量。其中一種方法是支援額外蜂巢式技術，如LTE Cat M1，其中裝置可以切換過去，且文字簡訊可以透過它獲得支援，同時也可進行RSP。 在許多部署中，文字簡訊都符合NB-IoT裝置的使用型態：低成本、低耗電、長時間待機，以及短叢發式資料傳送。在NB-IoT網路與裝置上支援文字簡訊，為NB-IoT發揮完全的潛能，包括對RSP的支援與更高效率的資料傳送。在NB-IoT的使用案例中，更簡短、更高效的簡訊較理想，而且這不單只是針對RSP的設定檔管理。基於這個原因，GSMA協會的NB-IoT部署指南便努力遊說人們在NB-IoT網路中更廣泛採用文字簡訊來傳送資料。 許多IoT的使用案例是離開電網的，因此省電必不可缺，而這些裝置生命週期大多時間處於休眠狀況，只針對特定的活動才甦醒啟動。符合此情境的裝置對於RSP會構成問題，原因是若要執行任務，裝置必須被喚醒，才能接收採取行動的呼叫。文字簡訊通常會在SMSC上暫存一些時間，而MNO也不想無限期保留它們。隨著IoT的大量成長，與網路相關且休眠中的裝置數量也會增加；這些文字簡訊元件的長期儲存，可能會對容量帶來衝擊，並帶來與簡訊效度有關的問題。 現今尤其是針對RSP，任務的流程也必須讓觸發具有時間限制，以確保同步性與請求的即時性。在裝置處於待機狀態且不知何時才會重新上線的情況下，RSP伺服器面臨艱鉅的任務，且孤立無援。此類協助可能來自裝置部署者的編排平台，因為它可能知道裝置何時已重新上線，或具有邏輯以便預測何時會上線。若經細心編排，裝置部署者可以聰明指示RSP平台，只有在知道有可能成功的情況下，再開始進行任務。這個類型的方法可以提升系統效率，並節省成本。 NB-IoT為RSP蓄勢待發 人們現在已考量過支援M2M遠端SIM服務開通所需的NB-IoT網路與網路服務，因此最後要針對NB-IoT裝置與RSP，聚焦在蜂巢式模組的選擇策略，以及它們所需的支援。 通常模組製造商產品選項所包含的產品，會針對關鍵的目標區域提供最常見的無線電技術組合，以及相關頻段的支援。這些產品所支援的無線電技術選項往往遵循該區域網路演化的方向，藉此進行策略性挑選。以這種方式瞄準模組可帶來無線電的優化，並降低其頻率決定邏輯，以確保較低的價格。而在人們試圖取得來自業界與目標網路的產品認證時，它也可以提供協助。此外，亦存在提供全球性支援的模組，但它們只會瞄準較搶手的無線電技術組合，且往往價格會比較高，原因是它們必須結合額外的無線電調諧與優化邏輯。 因此，物聯網創新人員的模組選擇必須考量裝置的地理分配意圖，若是針對全球市場使用單一型號的裝置，或是可預期裝置必須在原本部署國家或區域以外的地方運作，那麼就必須考量規模更大的區域、甚至於全球的支援性。針對NB-IoT模組必須套用同樣的考量，然而不確定的網路策略與眼下極少的部署，讓製造商很難定義他們的產品選項。此外，有限的NB-IoT部署與支援，讓模組的研發更加棘手。 而SIM技術與支援的選擇，對於不同地區裝置的賦能也會造成影響。可移除的SIM雖然可以讓人們變更全球性服務營運商，但它需要針對無人看管的物聯網裝置進行保養，同時亦存在失竊的風險。 焊死的嵌入式SIM讓失竊風險降至最低，但會因此讓產品整個生命週期被聯網供應商綁定，並限制對漫遊協定的全球連接性，同時網外的服務品質不受管控。較理想的情況是，既能自由更換電信服務商，不必擔心需到裝置設置地點更換SIM卡與SIM失竊的風險，同時可得到較佳的行動網路服務。 若選擇具備GSMA遠端SIM RSP能力的嵌入式SIM，可以解決此一問題；不過，所選擇的模組也必須支援RSP。而蜂巢式模組若要支援RSP，除了提供標準語音通話與資料服務所需的例行支援，尚需包括一些關鍵功能。 這些在消費者手機裡使用的主流模組中，通常已經是標準功能。不過，談到針對物聯網裝置與使用案例的模組時，情況並不是永遠如此，原因是不必要的功能會增加成本。因此，無論物聯網裝置是針對那一家蜂巢式電信業者，倘若已經鎖定針對RSP提供支援，人們都必須對模組的能力進行適當的考量。正如ETSI的定義，對獨立承載協定(BIP)的支援是相當關鍵的一環，因為它確保數據機可以在SIM與RSP伺服器之間，建立起安全的資料通道，而全新的設定檔也可以藉此進行遞送。伺服器推送模式中對文字簡訊的支援也是必需的，以便告訴eSIM它必須執行一項RSP任務。 有關支援RSP裝置必須考量的另一個關鍵面向，則是確保允許RSP事件可以結束，這包括同步異動的傳送與接收。因此裝置必須確定它不會過早切斷與蜂巢式服務的連線，造成伺服器與卡片不同步，以及所申請的步驟最終失敗。 當一項技術才剛問市沒多久，正著手計畫以各種形式推出該技術的廠商有三個選項—隨著周邊支援逐漸出現，他們可嘗試努力成為第一個推出產品上市的廠商；或是可等待市場出現明確需求、更廣泛的支援與驗證過的可交互運作性後，再進行成熟的部署；同時，亦可選擇決定不介入市場運作。 NB-IoT結合RSP，將兩種新興技術帶到人們面前，但也讓遞送驗證過的元件更加困難，為想要整合兩者的廠商帶來衝擊。因此，若想要達成可行的產品，不能單獨埋頭苦幹；因此，若想實現具一方以上參與開發、遞送與部署的可行解決方案，需要協同合作與可預期的投資報酬率。 供應鏈生態系統持續拓展 舉例而言，協助裝置、模組製造商及MNO的NB-IoT生態系統企業之一Arm，欲讓具備NB-IoT與RSP功能的物聯網裝置儘快在全球各地準備就緒，該公司認為MNO與應用提供者可利用Arm Kigen伺服器解決方案，把RSP能力整合進入他們的服務開通環境，而該公司在英國與美國的資料中心目前都已取得SAS-SM的認可。另一方面，Arm Kigen OS則可協助OEM廠商打造低耗電、低成本、安全的eSIM或Isim，它安全且符合GSMA協會規定的eUICC SIM作業系統，已針對各種硬體形狀因素進行緊密性與可攜性的優化。 Arm的願景是全球於2035年可部署1兆個聯網裝置，其中NB-IoT與RSP為重要的一環。環視物聯網不斷大量擴充規模，希望可藉此協助生態系統成長，並在各地激勵物聯網的創新。 (本文作者為Arm物聯網平台事業處商務拓展資深總監)

對於這些應用場景來說，5G基礎設施以及雲端運算、邊緣運算，AI等關鍵技術，搭配為不同應用場景設計的終端設備，可實現極其豐富的功能和體驗。但各式各樣的5G設備，都面臨著類似的技術挑戰，比如5G智慧手機、網路設備所使用的系統單晶片(SoC)、射頻積體電路(RFIC)等，一方面必須符合溫度和功耗限制，另一方面仍須具備強大的資料處理能力。 因此，5G晶片的可靠性，是工程師在設計相關晶片產品時，必須重點考慮的面向，且必須從晶片、封裝、系統等不同層次考慮其熱可靠性以及結構可靠性。本文將重點討論電子產品結構可靠性設計方面的典型問題，及如何用模擬工具來解決這些問題的方法。 電子產品對結構可靠性的要求 據美國空軍航空電子整體研究專案(US Air Force Avionics Integrity Program)發現，電子產品失效主要是由溫度、振動、潮濕和粉塵引起(圖1)。 圖1　電子產品失效原因分析 5G電子產品的性能和指標要求將更加苛刻，以最典型的終端產品--手機來說，其5G功能工作在更高的頻段，物理尺寸更加緊湊，電磁損耗更集中，其性能卻更容易受到溫度的影響，以及受到長時間外部使用環境的影響。因此，5G設備對結構可靠性要求將更為嚴格。 要對電子產品的結構可靠性進行分析，可從部件、系統兩個面向來著手；當然，電子產品可靠性也是一個複雜的多物理場分析過程。比如對5G晶片來說，先進封裝技術是保障5G晶片發揮極限性能，且滿足低功耗要求的關鍵技術；高可靠度的封裝，則是5G晶片能長時間安全運行的保證。 時下先進的2.5D IC/3D IC封裝技術，包括通過矽通孔(TSV)實現晶片堆疊、系統封裝(SiP)，層疊封裝(PoP)，高級晶圓級封裝(WLP)，將成為5G晶片封裝設計的主流選擇。堆疊晶片所使用的TSV不僅縮短互連路徑，提高I/O速度，還可有效降低功耗，因為堆疊了多個裸晶(Die)，因此減小了電容並減小了尺寸。儘管2.5D或3D IC是非常有前途的封裝技術，但由於其複雜性，仍充滿了挑戰。 系統層面，組裝在一起的5G終端產品，還需考慮整機設備的變形、振動、跌落碰撞、散熱等問題。而這些問題，都是典型的結構可靠性和熱可靠性方面的問題。 PCB/封裝的結構可靠性 如前所述，先進封裝是5G晶片設備的關鍵技術，而日益增長的性能要求和嚴苛的使用環境，對先進封裝的結構可靠性也提出了很大的挑戰。典型的問題有如下幾個方面，後面的分析也將在這幾個方面展開。 ・PCB/封裝在迴圈溫度作用下的翹曲分層 ・PCB/封裝在潮濕環境下吸濕膨脹(爆米花效應) ・封裝器件在振動衝擊作用下失效等 ・封裝焊球在溫度迴圈下產生疲勞裂紋和失效 PCB/封裝在Flip Chip製程+迴圈溫度作用下的翹曲變形 在半導體產業，Flip Chip製程廣泛用於PCB/封裝等元件連接，在此製程下，封裝就會有殘餘變形和應力的產生，也有塑性應變的存在。當PCB/封裝連接後，還會對其進行相應的溫度迴圈測試。使用Ansys Mechanical工具對整個流程進行模擬，可以瞭解Flip Chip製程產生的塑性狀態對後續溫循模擬的影響(圖2)。 圖2　模擬模型和溫度條件 對於PCB/封裝模擬而言，想要得到準確模擬結果，PCB和封裝的材料屬性是關鍵。但對於PCB和封裝的結構過於複雜，且特徵尺寸小，如果按傳統分網格的方法，網格量會巨大，操作起來也不現實；如果考慮計算效率，對每層PCB板賦予相同材料屬性，那計算精度就會大打折扣。 那有沒有一種既考慮精度又能兼顧效率的方法？答案是肯定的。Ansys專利技術“Trace Mapping”正好可以解決PCB模擬的材料模型計算的難題。 通過SCDM導入EDA軟體裡建立的PCB板模型，考慮每一層每個位置的含銅率，計算每一層PCB每個位置的熱物參數(各向異性)，比如密度、導熱係數、熱膨脹率、泊松比等。然後通過trace import將計算的詳細熱物參數導入到Mechanical中，Map到多層矩形板上，Map後的矩形板雖然不具有原來PCB板的幾何結構和特徵，但是具有原來PCB板的詳細熱物參數(圖3)。 圖3　PCB熱物理模擬執行程序 因為進行熱力計算時，影響熱力模擬準確性的主要是PCB板自身的熱物參數準確性，所以即使矩形板沒有詳細幾何特徵，也可以進行準確的熱力計算。 使用Trace Mapping方法準確計算PCB各處的材料屬性，再結合生死單元、子模型方法，就可以對Flip Chip+溫循製程進行多尺度精確分析，得到PCB/封裝結構的受力和變形(圖4、圖5)。 圖4 對PCB/封裝結構進行應力分析後得到的視覺化結果 圖5　封裝中金屬和介質材料等效應力 PCB/封裝在潮濕環境下吸濕膨脹 塑封是廣泛應用的電子封裝技術之一。其封裝的基板和塑封料主要成分是樹脂，具有親水性和多孔性。當水分進入封裝中，會使得塑封的電子元器件發生由於吸濕引起的介面層破裂和電子元器件的整體失效破壞，甚至發生爆米花式的斷裂。所以，如美國空軍航空電子完整性專案發現的，濕度也是引起電子產品失效的重要因素。 對吸濕分析而言，最主要是依據濕度的擴散機理，獲取封裝中濕度分佈，最後分析濕度應力。在Ansys中採用菲克第二定律(Fick's second law)來預測隨著時間變化，擴散對濃度分布的影響： 同時為了求解濕度應力，需要熱-結構-擴散直接耦合單元22X系列求解計算(該方法已開發成ACT，整合在workbench中)。 通過以上濕度擴散和耦合單元，可以獲得封裝結構濕度分佈和濕應力狀態，用於找出封裝結構薄弱區域(圖6、圖7)。參考GB2423.3-93等行業標準，可以對封裝在濕度環境下進行試驗，採用Ansys解決方案可以再現該濕度測試試驗。 圖6　封裝中濕度濃度分布 圖7　封裝中濕應力引起的應變 PCB/封裝元件在振動衝擊作用下失效 在某些情況下，振動衝擊所引起的部件失效也會成為封裝結構主要的失效原因，同時封裝結構在受到衝擊的同時，也會受到熱應力的影響。如何同時評估熱應力和振動的影響，得到封裝結構的損傷，最終得到封裝使用壽命是一個需要重點考慮的方向。 對於振動分析，材料屬性也非常關鍵。類似於溫度迴圈分析，同樣可以採用Ansys Trace Mapping來等效計算封裝的材料屬性，對於封裝結構在有熱應力作用下分析，可以在Ansys Workbench採用以下流程進行計算： 對於PCB/封裝的熱分析，可以採用Ansys Mechanical中的熱模組計算，得到PCB/封裝結構的溫度分布。溫度分布結果可以無縫傳遞到結構分析模組，計算得到溫度所引起的熱應力分布。預應力結果同樣可以無縫傳遞到模態分析中，改變結構的剛度，從而改變PCB/封裝的整體振動特性(圖8)。 圖8　考慮熱應力的振動模擬流程 通過以上流程，我們可以儘量考慮溫度對振動特性的影響。如果要分析隨機振動疲勞，在該流程中也能實現(圖9)。 圖9　隨機振動疲勞模擬 在隨機振動後處理中，插入疲勞模組，就可以進行隨機振動計算。預設使用電子行業主流的Steinberg隨機振動疲勞模型。這樣就可以在統一平台上，完成帶預應力(熱應力)的隨機振動分析及振動疲勞分析(圖10)。 圖10　隨機振動疲勞壽命分布 封裝焊球在溫度迴圈下產生疲勞裂紋和失效 電子封裝中廣泛採用SMT及新型的晶片尺寸封裝(CSP)、閘球陣列(BGA)等封裝技術，均要求通過焊點直接實現電氣及剛性結構連接。焊球和非金屬材料的熱膨脹係數差異巨大，工作在高溫下會引起熱應力，造成焊球的熱應變。同時電子元件頻繁開關，讓焊點在高低溫下經受往復應力作用。因此焊球容易在高低溫迴圈下產生裂紋及擴展。因此焊球的可靠性將在很大程度上決定系統的可靠性。 Ansys採用電子封裝行業主流的Anand粘塑性模型表徵焊球材料特性，Darveaux模型來進行焊球壽命預測，並且在Ansys...

穿過隔離層移動訊號和電源對設計工程師而言是一項常見的挑戰。為了提高安全性和抗噪，或產生較大的電位元差時，可能需要在不同系統領域間進行隔離。如手機充電器透過內部隔離，可以在連接器短路時防止用戶觸電。而在工廠機器人等其他應用中，敏感控制電路單獨接地，並與產生較大直流電流、噪音和接地反彈的馬達進行隔離。 通訊和感應通常在隔離層中進行。具有控制器區域網路(CAN)或CAN靈活資料傳輸速率(FD)通訊協定的汽車應用，透過整合隔離和收發器元件的隔離式CAN收發器，可以將這些訊號和汽車的高壓側隔離。工業應用也可以使用CAN協定和RS-485協定進行遠距離序列通訊。與隔離CAN和CANFD訊號雷同，設計工程師可以使用專門為RS-485協定設計的隔離式收發器。保護繼電器使用隔離式電流和電壓感測器來感測電網中的電力輸送。牽引逆變器和馬達驅動器接收馬達控制器發出的脈衝寬度調變訊號，然後訊號經過隔離器向閘極驅動器發出開啟或關閉絕緣柵雙極電晶體的指令。 隔離偏置轉換器可透過從隔離層一側提供另一側偏置電源，實現隔離通訊和感應。電流和電壓感測器、數位隔離器和閘極驅動器通常需15W以下甚至低至幾十毫瓦的電源。圖1為上述每個應用的範例。 圖1　隔離式偏置應用 隔離式DC/DC偏置電源應用多 無論是具有外部電源開關的控制器、集結了多個電源開關和控制器的轉換器，或是整合控制器、電源開關和變壓器為一體的電源模組，都有許多可提供隔離式偏置電源的解決方案。因為偏置電源解決方案的種類廣泛，涉及的應用也五花八門，為了以最低成本符合各類規格，全面瞭解應用需求至關重要。設計人員至少應該瞭解偏置電源的輸入電壓範圍、輸出電壓和輸出功率需求。 有些應用需要多個偏置電壓，因此確定每個輸出的可接受調節範圍為關鍵。隔離等級、操作環境溫度範圍、電磁干擾(EMI)和電磁相容性(EMC)等系統要求會進一步影響設計決策。表1從較廣泛的角度展示隔離式偏置轉換器的四種規格範例。 接下來介紹隔離式偏置電源拓撲的一些範例。 返馳式架構靈活調節/隔離/輸出 返馳式轉換器是一種眾所皆知的拓撲架構，數十年來被廣泛應用。這種電源轉換器因擁有靈活性和低成本等特點，可用於多種應用。透過整合場效電晶體(FET)和一次側控制等增強功能，這種拓撲結構更受矚目。 相較順向、推挽和半橋型等降壓拓撲，返馳式拓撲僅需要一個初級開關、一個整流器和一個類似變壓器的耦合電感器，如圖2為轉換器的簡化電路圖。當初級開關打開時，輸入電壓會施加在初級線圈上，在變壓器的氣隙內儲存能量。在這種情況下，僅有輸出電容器能給輸出負載供電。初級開關關閉時，儲存在變壓器中的能量通過整流器輸送到次級側，為負載和輸出電容器供電。 圖2　返馳式轉換器 返馳式轉換器完全可作為偏置轉換器，原因為返馳式轉換器能在一個轉換階段內實現調節和隔離，也可靈活用於多個輸出。因此讀者可選擇輸出繞組的數量，隨後在變壓器上纏繞線圈，借此支援自身選擇的配置。輸出繞組上的電壓是工作週期和初級到次級繞組匝數比的函數；同時為滿足系統隔離需求，也可以將每個輸出端作為不同的接地基準點。此外，返馳式轉換器的其他優勢，包括相對較低的成本和寬輸入輸出工作電壓範圍。 為實現最佳性能，正確設計返馳式變壓器非常重要。變壓器應有良好的耦合力且漏電感低，以實現最高效率和最佳調節，尤其是在多輸出的情況下。然而還必須限制初級和次級側間的寄生電感，以防止產生過多的電磁干擾(EMI)。 隔離式偏置電源拓撲實現穩定控制 如德州儀器(TI)用於搭建隔離式偏置電源的專用拓撲—Fly-Buck轉換器，其工作輸入電壓可高達100V。與返馳式轉換器相同，金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)通常整合在積體電路(IC)內，可輕鬆實現初級側控制。圖3所示為Fly-Buck轉換器。該拓撲採用同步降壓轉換器和耦合電感器來產生一個或多個隔離式輸出；當高側開關打開時，初級側則作為降壓轉換器運作，次級繞組電流為零；而當高側開關關閉且低側開關打開時，初級側則利用其儲存的能量對次級側供電。 圖3　Fly-Buck轉換器 推挽式變壓驅動器彈性又降噪 推挽式變壓驅動器是適用於低噪聲、小型隔離式電源的常用解決方案，由具有嚴格電壓調節功能的輸入軌供電，以開環模式運作，固定工作週期50%。整合MOSFET到積體電路中，可實現緊湊的電磁解決方案。 圖4所示為推挽式拓撲。推挽式拓撲是順向雙端拓撲，有兩個MOSFET作為接地基準，因此毋須外部自舉電路。與單端順向拓撲轉換器類似，FET的電壓應力是輸入電壓的兩倍。兩個MOSFET每隔半個週期切換一次，工作週期為50%，驅動變壓器裡中心抽頭的繞組。 圖4　推挽式變壓驅動器 同步降壓轉換器非常普遍，因而使得Fly-Buck轉換器拓撲備受青睞。由於回饋迴路可以在初級輸出電壓處閉合，該轉換器不需要額外的輔助繞組或光絕緣器來進行控制。同時，因耦合電感器的結構靈活，匝數比、額定絕緣等級、次級繞組數和PWM工作週期都可控制，因此適用於多種應用。 與返馳式轉換器相同，耦合電感器也必須合理設計，尤其注意要在限制初級到次級的寄生電容時控制漏電感。對於需要100V以上輸入的應用，可以使用具有外部MOSFET的Fly-Buck轉換器。 推挽式變壓驅動器是一種普遍的隔離式偏置電源解決方案，原因是其具有靈活性，能支援多路輸出；其開環配置省去回饋迴路，進而簡化設計。該變壓器具有較低的初級和次級電容，相較返馳式和Fly-Buck轉換器能降低共模噪音。此外，推挽式拓撲能更有效利用變壓器鐵芯的磁化電流，以實現比返馳式和Fly-Buck轉換器更小的磁解決方案。 即使變壓驅動器具有許多優點，但也應注意權衡利弊。不同於返馳式和Fly-Buck轉換器，變壓驅動器不支援寬輸入電壓範圍，需要嚴格調節輸入電壓；且由於沒有閉合迴路，不容易滿足輸出電壓反饋調節需求，可能需要低壓差線性穩壓器(LDO)。 電源模組常搭配隔離式偏置轉換器 電壓模組具有數十年的發展歷史。這類解決方案非常普遍，與離散式電源相比可顯著提高整合度。電源模組種類繁多，可提供輸入電壓、輸出電壓、輸出功率、輸出數量、隔離等級和調節等選項。 一般電源模組內部運作的原理，其拓撲包括變壓驅動器，與離散式拓撲雷同；某些元件可能整合成一個輸出LDO作為調節。 電源模組為大部分的隔離式偏置轉換器應用提供多種選項，因為毋須規定、設計或選擇變壓器，可以大幅簡化設計過程，只需加入輸入和輸出去耦電容就可以開始設計。同樣地，也提供同步、輸出電壓選擇、賦能和錯誤訊號等其他選項。 在使用專門配置輸出數量和變壓器匝數比的模組時，可能會降低靈活性。與額定環境溫度為125℃的模組相比，55℃和85℃選項的模組更受青睞；同樣地，採用完全增強式隔離的模組數量也不及採用功能型或基本隔離的模組。 未來偏置解決方案趨向整合 變壓器設計的創新和更高頻率的拓撲可使IC設計者將變壓器和矽整合到一個IC中，而終端用戶不需再設計變壓器或降低系統性能，便能獲得小型輕量級的隔離式DC/DC偏置電源。圖5所示為德州儀器偏置電源UCC12050的原理圖，儘管看起來與具有整合功率級和整流器的電源模組類似，但研究其運作後發現，其開關頻率比電源模組高很多。 圖5　UCC12050隔離式DC/DC偏置電源 相較開關頻率較低的其他電源，該電源的高度和重量都顯著降低；若使用內部拓撲控制方案，毋需LDO或外部回饋元件即可實現閉合迴路運作，因此可為各種隔離式DC/DC偏置電源應用帶來許多優勢。其設計使用EMI最佳化變壓器，初級側至次級側之間的電容僅為3.5pF，採用雜訊控制方案。毋需鐵氧體磁珠或LDO，雙層PCB解決方案本身即符合CISPR32B類標準。該裝置性能強勁，增強型隔離額定值為5kVrms，額定工作電壓為1.2kVrms，可在125℃環境溫度下運作。該裝置系列還包括UCC12040，其基本隔離額定值為3kVrms，額定工作電壓為800Vrms。 表2則對上述各種拓撲進行比較，可藉此看出，具有外部變壓器的拓撲能帶來較大的靈活性，而電源模組和UCC12050簡便易用。 現今已有許多隔離式電源可以選擇，但仍須瞭解輸出數量、調節需求、輸出功率、隔離等級、工作溫度和輸入電壓範圍等系統級規格。 (本文作者為德州儀器業務主管)

本文以四足玩具機器人為例為例，結合Wi-Fi及攝影鏡頭，讓操作者能夠以自行寫的網頁介面來控制四足玩具機器人，同時能夠藉由網路攝影鏡頭ESP32-CAM透過Wi-Fi模組所發出的熱點連結到網頁上，可以看到四足玩具機器人移動時的即時影像。機器人的外觀能夠隨個人所喜歡的樣式變，透過3D軟體設計與3D列印機就能製作出想要的外殼，讓操作者都能夠擁有屬於自己獨一無二的四足玩具機器人。至於遙控方面，網頁設計遙控人機介面，不必擔心遙控器不見，也能夠克服使用App作為遙控裝置所導致的手機容量不足或是手機版本不相容的問題。至於機器人的主控核心，則以盛群半導體(Holtek)的HT32F52352晶片為控制核心晶片，搭配PCA9685脈寬調變控制晶片輸出控制訊號，將裝設於機構關節上的RC伺服馬達進行轉動角度之控制，實現四足玩具機器人設計開發之目的。 機器人三點不動維持平衡 此四足機器人的移動必須隨時保持移動平衡，否則有摔倒的可能。機器人在移動時先提起一隻腳，靠另外三隻腳支撐身體，輪流動作以達到移動效果。而三角形重心求法為調整四足玩具機器人平衡時所運用之運算原理，不管是在移動或是靜止狀態時，若是讓四足玩具機器人以三角形面求出的重心落在三角形外側，則無法使機器人保持平衡。 1.三角形重心求法：以三角形三個邊的中點與各對角的拉線互相交會的點(G)為三角形重心。 2.三角形面保持平衡方法：三角形面的重心若未落在三角形外側，則此面必能保持平衡。 圖1　四足玩具機器人移動原理圖 圖1為四足玩具機器人移動原理圖，四足玩具機器人移動以最簡單的腳步移動動作。操作時必須確保四足玩具機器人在每次移動的時候都有三隻腳踩在地面上，而四足玩具機器人由三角形求法求出的重心必須放在由三隻腳形成的三角形範圍內。如果正在移動或是靜止狀態下，四足玩具機器人的重心離開了三角形，四足玩具機器人將失去平衡而跌倒。圖2、圖3則為機器人站立及Say Hi腳部關節說明，藉由圖中的表格能看出調整每個馬達角度，讓馬達達到不同的角度帶動四足玩具機器人的效果，以變化各種動作。 圖2　四足玩具機器人站立腳部關節說明圖 圖3　四足玩具機器人Say Hi腳部關節說明圖 系統控制關節動作概覽 圖4為四足玩具機器人系統架構圖，系統使用32位元微控制器HT32F52352為控制核心，並透過I2C的傳輸方式將每個關節所需求的訊號，透過PCA9685脈寬調變產生晶片進行控制訊號輸出，以控制RC伺服馬達旋轉角度，完成機器人各關節的轉動需求。而14顆伺服馬達在四足玩具機器人上的相關位置，由PWM產生器控制14顆伺服馬達帶動四足機構來完成移動，與需求動作表現的控制效果。機器人上有一攝影鏡頭是透過ESP32-CAM控制模組所發出的熱點，傳輸影像於自行設計的網頁人機介面端。當機器人移動時可由網頁端按鈕按下，然後可下送命令到晶片控制端，經由運算及順序判斷，將控制訊號傳遞給PCA9685的PWM產生器，輸出訊號給各關節RC伺服馬達，帶動四足機構以實現動作任務。 圖4　四足玩具機器人系統架構圖 四足玩具機器人硬體架構(圖5)中以HT32F52352晶片作為主控核心，配合資料傳輸模組、PWM產生器PCA9685、RC伺服馬達，組成四足玩具機器人移動控制，並藉由ESP32 Wi-Fi模組所發出的熱點，可由任何可聯網之個人電腦或行動裝置，透過網頁控制介面端及時進行操作及監控。此外，四足玩具機器人運用3D列印技術印製出外觀與腳部關節，至於四足玩具機器人組成所運用到的3D列印零件，結合伺服馬達及Wi-Fi攝影鏡頭模組即能成為四足玩具機器人。 圖5　四足玩具機器人硬體架構圖 此機器人使用HT32F52352晶片為主控核心(圖6)，透過UART串列傳輸連結Wi-Fi模組。再藉由Wi-Fi模組將網頁端所發出的指令傳輸到主控核心晶片，並運用I2C方式傳送指令至PWM產生器來控制14顆伺服馬達完成網頁端所選取之動作。圖7是ESP32-CAM Wi-Fi攝影模組，使用到的ESP32-CAM模組是由Wi-Fi電路與攝影鏡頭組合而成。Wi-Fi攝影模組藉此作為控制晶片與網頁控制介面端傳輸橋梁，ESP32是完整的Wi-Fi模組晶片能夠獨立工作，也作為從機搭載於其他主機MCU。 圖6　主控核心電路 圖7　ESP32-CAM控制電路圖 圖8為四足玩具機器人之電源轉換電路，此機器人中擁有許多種不同類型電子元件，包含MCU、金屬齒輪伺服馬達、塑膠齒輪伺服馬達、Wi-Fi攝影模組等需要多種不同電壓之電源供應，包含3.3伏特、5伏特、6伏特三種電壓輸出，3.3伏特用於提供MCU之電源供應，5伏特則提供Wi-Fi攝影模組及2顆塑膠齒輪伺服馬達之電源供應，6伏特為提供12顆金屬齒輪伺服馬達之電源供應。四足玩具機器人中有兩種伺服馬達(圖9)，一是金屬齒輪伺服馬達(MG995)，另一種是塑膠齒輪伺服馬達(MG90)，兩者都由PWM產生器(PCA9685)控制。主要是由網頁控制介面端下達動作指令藉由Wi-Fi模組傳送到控制晶片，再以I2C傳輸協定傳送給PWM產生器來完成指令。 圖8　電源轉換電路 圖9　馬達控制電路 透過Wi-Fi模組聯網控制 四足玩具機器人網路架構(圖10)是透過Wi-Fi模組所發出的熱點，與任何可聯網之個人電腦或行動裝置連結，連結後即可由網頁控制介面端按鈕下送指令到晶片主控核心控制四足玩具機器人。當Wi-Fi模組所發出的熱點與可聯網之裝置連結後即可看到網頁控制介面端，網頁控制介面端可看到LOGO、方向控制頁面、動作控制頁面，及ESP32-CAM所傳輸之攝影機影像。 圖10　四足玩具機器人網路架構圖 操控四足玩具機器人時，程式開始時會先執行基本的設定，並且設定PCA9685的PWM產生器頻率為50Hz，等待使用者從網頁端按下按鈕後，再將收到的命令用以控制伺服馬達，以此完成玩具四足機器人之操作(圖11)。 圖11　主控核心動作流程圖 本網頁端以HTML格式撰寫，將網頁程式碼寫入ESP32-CAM模組中(圖12)。程式會先初始化設定鏡頭，並且建立網頁。當使用者按下網頁按鈕後，會透過UART將從網頁端收到的資料傳送給主控核心晶片進行控制四足機器人的腳步移動效果，同時可藉由網頁控制介面端觀看即時影像。 圖12　ESP32-CAM操作流程圖 此四足玩具機器人共可完成19項動作，包含上、下、左、右、前進、後退、左移、右移、左轉、右轉、站立、Say Hi、休息、躺下、舞姿一、舞姿二、舞姿三、轉圈圈、匍匐前進等。因其動作彈性且以網頁人機介面控制，除不需要遙控器，使用者也毋須額外下載App，在生活中可作為孩童與長者之玩具與陪伴，並能用於環境安全監測。 (本文作者陳宏明為建國科技大學電子工程系副教授；王奕偉/陳威志/王銘典為建國科技大學電子工程系學生)

透過總結上個世紀的經驗，汽車製造商對會干擾運作、造成損壞的電子狀況和瞬變進行分類。國際標準組織(ISO)對業界知識進行編譯，並制定出適用於道路車輛的ISO 16750-2和ISO 7367-2規範。汽車電子控制單元(ECU)使用的電源至少應該能夠承受這些狀況，且不造成損壞。至於關鍵系統，則必須保持功能性和容差。這需要電源透過瞬變調節輸出電壓，以保持ECU運作。在理想的情況下，完整的電源解決方案毋需使用保險絲，而可以最大限度地降低功耗，且採用低靜態電流，在不耗盡電池電量的情況下保持支援系統開啟。 ISO 16750-2合併多方案解決汽車電子系統挑戰 在最近的反覆運算中，ISO 7367-2電磁相容規範主要介紹來自相對較高的阻抗源(2Ω至50Ω)的大幅度(>100V)、短時持續(150ns至2ms)瞬變。這些電壓峰值通常可以使用被動元件消除。圖1顯示定義的ISO 7367-2脈衝1，以及增加的330μF旁路電容。電容將尖峰幅度從-150V降低至-16V，完全在反向電池保護電路支援的範圍內。ISO 7367-2脈衝2a、3a和3b的能耗遠低於脈衝1，所需的抑制電容也更少。 圖1　ISO 7367-2：具備和不具備330μF旁路電容的脈衝1 ISO 16750-2主要介紹來自低阻抗源的長脈衝。這些瞬變無法輕鬆過濾，通常需要使用基於穩壓器的主動式解決方案。一些更具挑戰性的測試包括：負載突降(測試4.6.4)、電池反接(測試4.7)、疊加交變電壓測試(測試4.4)，以及引擎啟動工況(測試4.6.3)。圖2顯示了這些測試脈衝的視圖。ISO 16750-2中所示條件的差異性，加上ECU對電壓和電流的要求，通常需要合併使用這些方案，以滿足所有要求。 圖2　更嚴格的ISO 16750-2測試概述 TVS/降壓穩壓器慎防負載突降 負載突降(Load Dump)(ISO 16750-2：測試4.6.4)屬於嚴重的瞬態過壓，其模擬電池斷開，但交流發電機提供大量電流的情況。負載突降期間的峰值電壓被分為受抑制電壓或未受抑制電壓，由三相交流發電機的輸出是否使用雪崩二極體來決定。受抑制的負載突降脈衝限制在35V，不受抑制的脈衝峰值範圍則為79V至101V。無論是處於哪種情況，因為交流發電器定子繞組中儲存了大量的電磁能量，所以可能需要400ms進行恢復。雖然大部分汽車製造商使用雪崩二極體，但隨著人們對可靠性的要求不斷增高，使得一些製造商要求ECU的峰值負載突降電壓必須接近未受抑制情況下的電壓。 解決負載突降問題的方法之一，就是添加瞬變電壓抑制器(TVS)二極體，從局部箝位ECU電源。更精小、容差更嚴格的方法則是使用主動湧浪抑制器，例如LTC4364，該抑制器以線性方式控制串接的N通道MOSFET，將最大輸出電壓箝位至使用者配置的水準(例如27V)。湧浪抑制器可以幫助斷開輸出，支援可配置限流值和欠壓鎖定，且可使用背靠背NFET提供通常需要的反向電池保護。 對於線性穩壓功率元件，例如湧浪抑制器來說，其所存在的隱患在於，在負載突降期間限制輸出電壓，或者在短路輸出期間限制電流時，N通道MOSFET可能功耗較大。功率MOSFET的安全工作區域(SOA)限制最終會限制湧浪抑制器能夠提供的最大電流。它還提出了在N通道MOSFET必須關閉，以避免造成損壞之前，必須保持穩壓的時長限制(通常使用可配置計時器針腳設置)。這些SOA導致的限制隨著工作電壓升高變得更加嚴重，而增加了湧浪抑制器在24V和48V系統中使用的難度。 更具擴展性的方法是使用降壓穩壓器，該穩壓器可在42V輸入下運作。切換開關穩壓器與線性穩壓器不同，其並無MOSFET SOA限制，但顯然它更加複雜。降壓穩壓器的效率支援實施大電流操作，其頂部切換開關則允許輸出斷開，並支援電流限制。至於降壓穩壓器靜態電流問題，已由最新一代元件解決，這些元件僅消耗幾微安培電流，在無負載條件下也能保持穩壓。透過使用Silent Switcher技術和展頻技術，切換開關雜訊問題也得到大幅的改善。 此外，有些降壓穩壓器能按100%工作週期運作，保證頂部切換開關持續開啟，透過電感將輸入電壓傳輸到輸出。在過電壓或過電流條件下，會觸發切換開關操作，以分別限制輸出電壓或電流。這些降壓穩壓器作為切換開關湧浪抑制器使用，實現低雜訊、低損耗操作，同時保持切換開關模式電源的可靠性。 理想二極體控制器驅動降反向電壓功耗 當電池終端或跳線因為操作員故障反向連接時，會發生反向電壓條件(也稱為反向電池條件)。相關的ISO 16750-2脈衝(測試4.7)反覆對DUT施加-14V電壓，每次60秒。關於此測試，有些製造商增加了自己的動態版本，在突然施加反向偏置(4V)之前，先起始地為此元件供電(例如VIN=10.8V)。 快速研究資料手冊後發現，很少有IC設計可以接受反向偏置，其中IC的絕對最小針腳電壓一般限制在-0.3V。低於地的電壓如果超過一個二極體的電壓，會導致額外電流流過內部接面，例如ESD保護元件和功率MOSFET的二極體。在反向電池條件下，極化旁路電容(例如鋁電解電容)也可能受到損壞。 肖特基二極體可以防止反向電流，但在正常運行期間，正向電流更高時，這種方法會導致更大功耗。圖3所示為基於串接P通道MOSFET的簡單保護方案，這種方案可以降低功耗損失，但在低輸入電壓下(例如發動機啟動)，因為元件門檻電壓的原因，這種方案可能無法順暢運行。更加有效的方法是使用理想二極體控制器，以驅動串列N通道MOSFET，該MOSFET在負電壓時切斷輸入電壓。正常運作期間，理想二極體控制器調節N通道MOSFET的源漏電壓降低到30mV或更低，將正向壓降和功耗降低超過一個數量級(相較於肖特基二極體)。 主動整流器高頻輸入電壓護下游電路 疊加交變電壓測試(ISO 16750-2：測試4.4)模擬汽車的交流發電器的交流輸出的影響。正如其名，正弦訊號在電池軌道上疊加，峰值幅度為1V、2V或4V，具體由嚴重程度分類決定。對於所有嚴重性等級，最大輸入電壓為16V。正弦頻率以對數方式排列，範圍為50Hz至25kHz，然後在120秒內回到50Hz，總共重複5次。 本測試會導致在任何的互連濾波器網路內產生大幅度諧振低於25kHz的電流和電壓擺幅，它也會使切換開關穩壓器出現問題，其迴路頻寬限制使其難以透過高頻率輸入訊號進行調節。解決方案就像是中間整流元件，例如功率肖特基二極體，但對於反向電壓保護，這並不是一種解決問題的好方法。 在這種情況下，理想的二極體控制器無法像在反向電壓保護應用中一樣發揮作用，因為它無法足夠快速地切換開關N通道MOSFET，以和輸入保持同步。閘極上拉強度是其中一個限制因素，一般因為內部電荷泵限制在20μA左右。當理想的二極體控制器能夠快速關閉MOSFET時，開啟速度會非常慢，不適合對極低頻率以外的情況實施整流。 更合適的方法是使用LT8672主動整流器控制器，該控制器可以快速開關N通道MOSFET，以高達100kHz的頻率整流輸入電壓。主動整流器控制器是帶有兩個重要附加元件的理想二極體控制器，一個由輸入電壓增壓的大型電荷記憶體，另一個是快速開關N通道MOSFET的強勁閘極驅動器。相較於使用肖特基二極體，這種方法可以降低功率損失達90%以上。LT8672也和理想的二極體控制器一樣，保護下游電路不受電池反接影響。 MOSFET限制切換開關解決啟動工況 發動機啟動工況(ISO 16750-2：測試4.6.3)屬於極端欠壓瞬變，有時候指代冷啟動脈衝，這是因為在更低溫度下，會發生最糟糕的電池壓降。特別是當啟動器啟動時，12V電池電壓可能立刻降低到8V、6V、4.5V或3V，具體由嚴重程度分類決定(分別為I、IV、II和III級)。 有些系統中，低壓差(LDO)線性穩壓器或開關降壓穩壓器足以支援電源電軌因應這些瞬變，只要ECU電壓低於最低的輸入電壓。例如，如果最高的ECU輸出電壓為5V，且其必須達到嚴重程度等級IV(最低輸入電壓6V)，那麼使用壓差低於1V的穩壓器即可。發動機啟動工況電壓最低的分區只能持續15ms至20ms，所以大型旁路電容之後的整流元件(肖特基二極體、理想二極體控制器、主動整流器控制器)可能可經受這部分脈衝，如果電壓淨空短暫地下降至低於穩壓器壓降差。 但是，如果ECU必須支援高於最低輸入電壓的電壓，則需要使用升壓穩壓器。升壓穩壓器可以在高電流位準上，有效保持來自低於3V輸入與12V輸出電壓。但是升壓穩壓器還存在一個問題，從輸入到輸出的二極體路徑無法斷開，所以自然地電流在啟動時或者短路時不受限。為了防止電流失控，專用的升壓穩壓器整合湧浪抑制器前端來支援輸出斷開和限流，以及在使用背靠背N通道MOSFET時提供反向電壓保護。這個解決方案可以利用單個積體電路解決負載突降、發動機啟動和電池反接，但是可用電流受湧浪抑制器MOSFET的SOA限制。 四開關的升降壓穩壓器透過共用的電感來聯合同步降壓穩壓器和同步升壓穩壓器，以消除此限制。這種方法可以滿足負載突降和發動機啟動工況測試的要求，且電流位準或脈衝持續時間不會受到MOSFET SOA限制，同時還保有斷開輸出和限流的能力。 升降壓穩壓器的開關操作由輸入和輸出電壓之間的關係決定。如果輸入遠高於輸出，升壓頂部開關持續開啟，降壓功率級則降低輸入。同樣的，如果輸入遠低於輸出，降壓頂部切換開關持續開啟，升壓功率級則增高輸出。如果輸入和輸出大致相等(在10%至25%之間)，那麼降壓和升壓功率級會以交錯方式同時開啟。如此，可以透過僅對高於、約等於或低於輸出的輸入電壓實施穩壓所需的MOSFET限制切換開關，分別最大化各個開關區域(降壓、升降壓、升壓)的效率。 圖3匯總介紹了應對負載突降、反向輸入電壓、疊加交變電壓和發動機啟動工況測試的各種解決方案，以及各種方案的優缺點。可以得出幾個關鍵結論： ˙漏極面向輸入的串接N通道MOSFET極其有用，因為它可用於限流和斷開輸出，無論是它被用作切換開關(例如在降壓功率級中)或線性控制元件(例如在湧浪抑制器中)。 ˙涉及反向輸入保護和疊加交變電壓時，使用N通道MOSFET作為整流元件(面向輸入的源極)可以大幅降低功率損失和壓降(相較於使用肖特基二極體)。 圖3　解決困難的ISO 16750-2測試採不同方法 ˙相較於線性穩壓器，使用切換開關模式電源更合適，因為它可以消除功率元件的SOA導致的可靠性問題和輸出電流限制。它可以無限調節輸入電壓極限值，而線性穩壓器和被動解決方案本身存在時間限制，這種限制會令設計更加複雜。 ˙升壓穩壓器不見得需要使用，具體由啟動工況的分類和ECU(必須提供的最高電壓是多少)的詳情決定。 如果需要升壓穩壓，那麼四開關升降壓穩壓器會將上述需要的特質融合到單個元件中。它可以在高電流位準下，有效地調節嚴重欠壓和過壓瞬變，以延長持續時間。從應用的角度來看，這使其成為最可靠和簡單的方法，但其設計複雜性也會增加。然而，典型的四開關升降壓穩壓器存在一些缺點。其一，不能自然提供反向電池保護，必須使用額外電路來解決這個問題。 四開關升降壓穩壓器存在的主要問題在於，它大部分運作壽命都消耗在效率更低、雜訊更高的升降壓-壓開關區域。當輸入電壓非常接近輸出電壓(VIN~VOUT)時，所有4個N通道MOSFET都會主動開啟，以保持穩壓。隨著開關損耗增大，以及使用最大的閘極驅動電流，效率降低。當降壓和升壓功率級熱迴路都啟用，穩壓器輸入和輸出電流出現斷續，這個區域內的輻射和導電EMI性能會受到影響。四開關升降壓穩壓器可以調節偶然出現的大幅度欠壓和瞬態過壓，但需要使用高靜態電流、降低效率，並且在更常見、常規的轉換區域產生更高雜訊。 帶通模式消開關損失/EMI達高效 LT8210是四開關升降壓DC/DC控制器，可以按照慣例使用固定輸出電壓運作，且支援新Pass-Thru工作模式(圖4)，可以透過可配置的輸入電壓視窗消除開關損失和EMI。該控制器在2.8V至100V範圍內運作，可以調節發動機啟動期間最嚴重的電池壓降，也可以調節未受抑制的負載突降的峰值幅度。它提供-40V反向電池保護，透過增加單個N通道MOSFET而實現(圖5中的DG)。 圖4　支援帶通模式的升降壓控制器解決了汽車標準測試帶來的許多問題 在帶通模式下，當輸入電壓在視窗之外時，輸出電壓被調節至電壓視窗的邊緣。視窗頂部和底部通過FB2和FB1電阻分壓器配置。當輸入電壓在此視窗之內時，頂部切換開關(A和D)持續開啟，直接將輸入電壓傳輸至輸出。在不開關狀態下，LT8210的總靜態電流降低至數十微安培。不開關意謂著沒有EMI和切換開關損失，所以效率高達99.9%以上。 對於兩方面都想實現最佳效果的使用者來說，可以使用LT8210，它可以透過切換MODE1和MODE2針腳，在不同的工作模式之間切換。換句話說，LT8210在某些情況下可以作為具有固定輸出電壓(CCM、DCM或Burst Mode)的傳統的升降壓穩壓器運作，然後，在應用條件變化時，轉而採用帶通模式。對於常開系統和啟停應用而言，這個特性非常有用。 帶通解決方案提高低電流效率 圖5所示的帶通解決方案將視窗中8V和17V的輸入傳輸至輸出。當輸入電壓高於帶通視窗時，LT8210將該電壓降低至經過調節的17V輸出。如果輸入降低至低於8V，LT8210將輸出電壓升高至8V。如果電流超過電感限流或設定的平均限流(透過IMON針腳)，便提供保護特性在帶通視窗中觸發開關操作以控制電流。 圖5　此3V至100V輸入升降壓控制器以8V至17V帶通輸出運作 圖6、圖7和圖8分別顯示LT8210電路對負載突降、反向電壓和啟動工況測試做出的反應。圖9和圖10顯示在帶通視窗下，實現的效率改善和可以實現的低電流操作(低電流時的效率令人驚訝)。圖11則顯示帶通模式和CCM操作之間的動態轉換。 圖6　對未受抑制的負載突降的帶通回應 圖7　LT8210對電池反接的回應   圖8　對發動機冷啟動的帶通回應 圖9　CCM和帶通操作的效率 圖10　在帶通模式(VIN=12V)下，無負載輸入電流 圖11　帶通和CCM操作之間的動態轉換 電池反接/帶通模式並行　 促升降電壓無開關/雜訊耗損 為汽車電子系統設計電源時，LT8210四開關升降壓DC/DC控制器透過其2.8V至100V輸入工作範圍、內建的反向電池保護和其新帶通工作模式提供良好的解決方案。帶通模式可以改善升降壓操作，實現零開關雜訊、零開關損失，以及超低的靜態電流，同時將輸出調節至使用者配置的視窗水準，而不是固定電壓。輸出電壓的最小和最大值與例如負載突降和冷開機期間的大幅度瞬變相綁定，沒有MOSFET SOA或者由線性狀況導致的電流或時間限制。 新型LT8210控制方案支援在不同的開關區域(升壓、升降壓、降壓和不開關)之間實現乾淨快速的瞬變，因此能夠調節輸入中的大訊號和高頻率交流電壓。LT8210可以在帶通操作模式和傳統的固定輸出電壓、升降壓操作模式(CCM、DCM或Burst模式)之間切換並保持運作，固定輸出可以設定為帶通視窗中的任何電壓(例如在8V至16V視窗中，VOUT=12V)。這種靈活性使得用戶能夠在帶通和常規的升降壓操作之間切換，利用帶通模式的低雜訊、低IQ和高效率操作，在CCM、DCM或Burst模式下實現更精確的穩壓和更出色的瞬態回應。 (本文作者任職於ADI)