技術探勘

為解決包括覆晶晶片、扇入型和扇出型晶圓級封裝(WLP)等現有技術面臨的挑戰，業界已開發多種新興方案，例如高密度扇出型(HDFO)WLP、矽穿孔(TSV)和矽中介層，以及相機影像感測器(CIS)所用的TSV。新的扇出型晶圓級封裝(FOWLP)技術會利用Mega柱體(Megapillar)、細線重新布線層(RDL)、堆疊式RDL或導孔RDL和微凸塊(Microbump)等特徵，為要電鍍這些特徵，需要製程、電鍍化學以及製造設備的全面創新。例如科技廠商科林研發(Lam Research)的SABRE 3D電鍍設備，即是整合這些創新技術的平台，旨在解決與特徵內(Within-feature, WiF)均勻度、共面性、缺陷、可靠度和生產量的相關問題。 Mega柱體電鍍製程迎三大挑戰 Mega柱體是高度為50µm至200µm以上的大直徑銅柱，通常用來連接FOWLP應用中的晶片。像這樣的大型結構需要較長時間進行電鍍。但是要在高溫浴中耗費更長的時間，就需要高完整性的密封，而Lam Research透過SABRE 3D的HDFO唇型油封(Lip Seal)滿足此一需求。 Mega柱體的電鍍製程須在控制柱體形狀的同時克服高電鍍速率，以及晶粒內(WiD)不均勻度的挑戰。以下將說明SABER 3D平台中能解決此問題的重要技術。 TurboCel高特徵內對流克服金屬離子傳遞限制 依照邏輯，增加電鍍電流，應該可以提高大型結構(如Mega柱體)的沉積速率。然而在質量傳遞(Mass Transport)限制條件下，Mega柱體容易變成不符需求的圓頂形狀。因此，大多數設備都包括某種形式的攪拌器或機械槳葉，以增加特徵內(Intra-feature)對流，來克服金屬離子傳遞的限制，並同時改善電鍍速率和柱型狀況。SABRE 3D使用一種稱為TurboCell的創新技術，實現高且均勻的特徵內流動(圖1)。 圖1　TurboCell裝置(左)；兩個入口速度對四個不同特徵(右)產生的效應，特徵的深寬比從1:1到非常高的深寬比(HAR) TurboCell技術可在晶圓下方保持非常狹窄的通道，根據製程將其精確控制在1mm至5mm範圍內，並注入極高流量的電鍍液。這種橫向流動的電鍍液可在基板的鍍面上產生剪切力，而晶圓會在該剪切區內旋轉，以維持嚴格的均勻度控制。TurboCell的成功取決於實現極高的特徵內對流的能力，使金屬離子能夠深入特徵內部，達到比競爭技術高出50~100%的沉積率。 SAC/SamrtDose技術實現大量製造 要在大量製造(HVM)的環境中維持此效能還需要其他的技術。其中第一個是分隔的陽極腔(SAC)。SAC採用離子滲透膜來抑制電解質中某些成分的直接對流傳遞。例如，它可以分離有機添加劑，並允許離子傳遞。透過把陽極與添加劑隔離，SAC系統可把化學品的消耗降至最低，並防止某些會影響良率的缺陷。 另一個實現大量製造的促成技術是SmartDose系統，它主要包含以Lam Research軟體和控制系統為基礎的線上化學品監測和供給。這使SABRE 3D能夠預測電鍍條件以及需求，例如一段時間之後所需的添加劑數量，並有助於把電鍍過程保持在低缺陷範圍內(圖2)。 圖2　利用SmartDose維持穩定的電鍍化學品供給，並把陽極與添加劑和製程副產品隔離，是實現大量製造的關鍵因素 三管齊下減少不均勻度 與傳統的銅柱晶粒設計相比，Mega柱體晶粒的有效區域密度變異更大。這為電鍍帶來挑戰，因為此布局會造成非常不均勻的電流分布。另一項稱為Durendal的創新技術可克服這個挑戰。Durendal是Lam Research設備的電氧化製程。與平面化類似，該製程可同時修正Mega柱體的形狀(從圓頂形修正為平坦狀)，同時產生均勻的Mega柱體厚度分布。Durendal技術還適用於其他應用，例如銅柱和微柱(Micro-pillar)(圖3)。 圖3　Durendal技術還適用於其他應用，例如銅柱和微柱 減少不均勻度的第三種方法是透過電鍍液的設計。雖然以前的電鍍液可用來全面地處理多種應用，但現在出現了鎖定特定應用領域的化學方法。循環伏安法(Cyclic Voltammetry)和其他電化學特徵化技術正用於設計具有電導率和極化特性的電解質，以為TurboCell技術提供最佳的共面性。 最後，Lam Research基於軟體的預測性晶粒建模可用來模擬特定晶粒布局的共面性。它把電鍍條件納入考慮，包括一次、二次和三次電流分布，以預測凸塊高度分布。經過測試的模擬誤差低於1.5%，證明該軟體具備足夠的穩定性，可推動新的布局設計，以把共面性問題降至最低。 TurboCell實踐薄晶種電鍍 銅底切(Undercut)是電鍍細線RDL(重新布線層)的關鍵挑戰。由銅晶種(Seed)蝕刻製程所造成，該製程會腐蝕RDL線的底部(圖4)，同時也給微柱帶來問題。由於大多數一般的RDL會使用約1,000-2,000埃 圖4　鍍條件與晶粒工程技術的結合，有助於克服底切問題 的銅晶種，因此利用標準蝕刻製程極具挑戰性。儘管市場上在新材料方面出現了一些進展，但Lam Research提供的解決方案聚焦於提供薄晶種(<600A)電鍍能力、TurboCell、晶粒工程以及替代的整合方法。實現薄晶種能力的主要挑戰是終端效應(Terminal Effect)，這主要是指當晶種的電阻起主導作用時，會使晶圓中心相對於邊緣的電流分布有明顯變異，進而造成邊緣鍍層變厚。TurboCell裝置實現了薄晶種電鍍，這已在細線RDL應用中得到證明，可達到小於2%的晶圓內(WiW)均勻度測量值。 三條件整合達成BKM 傳統的RDL有正常或標稱的深寬比(1:1)，而細線RDL有較高的深寬比(4:1)和更精細的特徵。較高的深寬比特徵通常更難潤濕，因此可能會在電鍍後造成缺失金屬的缺陷。另一個挑戰是，光阻比一般的RDL圖案更脆弱，而且在電鍍之前甚至電鍍過程中很容易損壞。 SABRE 3D整合了另一項稱為先進預處理(APT)製程模組的創新技術，該模組利用柔和的噴霧，可在電鍍之前以多種液體在真空中進行潤濕製程。此製程已取得專利，能生成均勻、且無缺陷的1.5×1.5µm細線。然而由於矽、聚醯亞胺(PI)和銅之間的熱膨脹係數(CTE)不匹配，因此細線RDL還有其他的機械可靠性問題。CTE不匹配會導致在隨後的熱處理過程中破裂或剝離(Delamination)。 Lam Research聚焦於晶粒工程來解決這個問題。傳統的銅鑲嵌製程對電遷移(EM)的挑戰已透過晶粒工程和各種銅化學配方解決。Lam Research還與客戶合作，透過使用蝕刻製程和晶粒工程技術，把10×10µm RDL的底切和線消耗降至最低。 針對細線RDL，Lam Research一直在最佳化ECD裝置和電鍍化學品，以影響晶粒尺寸和分布以及沉積雜質的數量。雖然這是一種有用的方法，但Lam Research正在考慮使用奈米雙晶銅(nt-Cu)作為替代方案。 採用nt-Cu是一項具吸引力的方案，因為它有高強度、良好的導電性和較高的銅原子擴散率。這些特性使nt-Cu成為銅-銅直接鍵合的促成因素，也是異質整合的重要鍵合方法。它還開啟了另一個機會，可與Durendal製程結合使用。Durendal可以產出具有高度平滑表面的平面晶粒，而nt-Cu可用來創建高度紋理化的奈米雙晶(Nano-twinned)結構。 電沉積nt-Cu薄膜需要適當地組合化學配方和波形最佳化，以及TurboCell條件(圖5)。Lam Research已展示了此三個條件的整合，以為細線RDL、微柱以及標準柱體實現具再現性、強韌的已知最佳方法(BKM)。 圖5　利用TurboCell最佳化、波形調變、以及開發特殊的化學品，科林研發已為沉積nt-Cu建立了最佳的製程範圍 堆疊式RDL管理鍍液抗老化 堆疊式RDL應用很容易受到導孔電鍍的挑戰，亦即未填充和空隙(圖6)。導孔的未填充會導致形狀變異，並把問題向下帶到微影步驟，因為景深(DoF)限制，而使微影出現聚焦的困難。就電鍍機制而言，小導孔比大導孔更容易填充，而未填充問題通常是低深寬比(LAR)的導孔填充。對於較小的導孔，較容易在特徵的底部角落提供加速生長，而獲得良好的超級填充條件。但若導孔較大，沉積物開始堆積的角落距離較遠，因此頂部中心容易出現填充不完全的現象。 圖6　堆疊式RDL的主要電鍍挑戰與導孔的未填充以及空隙形成有關 Lam...

時至今日，全球各地，從制定相關決策的政府機關，大型上市公司與夾縫求生存的中小企業，無一不提出數位轉型、扶植新創、組織創意轉型等方向。而此篇文章將試圖探討在現今的技術條件與市場期待心理下，是否能夠因為使用新技術、或者開闢新賽道進行聊天機器人的市場突圍？ 聊天機器人無法滿足使用者期待 科技的快速發展來自人追求快速、方便的本性，但人類的想法與思緒十分複雜，因此聊天機器人難以全面滿足使用者的需求。回想日常生活的溝通情境，當人們在日常溝通的時候，除了說出口的字句，對方的肢體動作與眼神有沒有影響到自身的判斷？讀者是否會自行腦補一些情境？尤其跟老闆、同事或下屬進行具目的性的談判對話時，語句之外的線索顯得更重要。 聊天機器人不夠聰明的原因，是它距離人類多模態交互的能力還很遙遠。現今最普遍和流行的生活應用，當屬智慧音箱(如Amazon的Echo)，一般人在買回去的當下充滿興奮感，嘗試各種指令來挑戰智慧音箱的極限後，就將它放置在屋裡的某一角落，成為一個可有可無的家用品，無法實際融入使用者的生活情境中。即便仰賴大數據和人工智慧(AI)的相關技術持續更新，用戶體驗也漸入佳境，但仍缺乏具代表性的現象級App，無法滿足多數人的使用需求。另一方面，若人們嘗試降低自己對產品的期待，單純利用聊天機器人詢問明確的問題(如天氣)，請它做一件明確的事情(如播放音樂)，這樣的基本需求可以被滿足。 聊天機器人技術發展三向剖析 聊天機器人是一項技術整合的產物，其中牽涉的技術範圍有電腦視覺、自然語意、機器學習(Machine Learning, ML)與深度學習(Deep Learning, DL)等。本文根據市場調研機構Gartner所提供新興科技發展週期報告，來審視各個技術目前位處的位置、困境、與待解決的問題。 電腦視覺 電腦視覺(Computer Vision, CV)目前處於泡沫化的谷底階段，意即此技術無法滿足使用者的期待，導致大家對於它的創新了無興趣。CV從實驗室的前沿技術，到如今能夠聽懂人類的指令，花了整整半個多世紀，產生瞄準在新零售、醫療、工業製造和網路娛樂等應用的期待。然而，人工智慧情緒識別離開人類的干預，對複雜情感的理解和表達能力，仍須持續的技術突破。其中，利用AI判斷並理解實體環境的CV，不僅是辨識情緒的關鍵技術之一，也被公認為未來三至五年最重要的技術之一，不僅眾多新創企業投入，大企業也紛紛利用自己既有的優勢企圖先布局並搶占先機，現階段大約聚焦在下列4個發展方向： 1. 服務平台：提供機器學習開發工具和雲端服務的商業型平台，讓開發者毋需從頭自行建構。 2. 影音資料庫：利用海量資料進行機器學習的模型訓練，將使用者上傳的相片和影音資料，與個人特徵資訊進行連結，大量使用電腦視覺技術客製化廣告投放以增加營收。 3. 硬體製造：如NVIDIA、英特爾(Intel)的晶片製造。 4. 消費性產品：近期可期待者為手機人機互動的介面。 自然語意 自然語意(Natural Language Procession, NLP)與CV處於泡沫化谷底階段。自然語意發展分為兩大階段，一種是應用傳統的分詞執行自然語言處理，第二階段則是近年由於機器學習快速發展，大家開始應用機器學習執行NLP。透過NLP所能實現的功能包含神經機器翻譯(Neural Machine Translation)、智慧人機交互(就是所謂的聊天機器人，受限於技術，目前只能在特定場景實現多輪次的對話)、機器閱讀理解與機器創作。但如前言所述，現實狀況下，人與人當面溝通，仍會有語意上的誤解，在此情況下，如何期待科技可以奇蹟似地解決這一切？自然語言處理首先透過斷詞、理解詞，接下來是分析句子，包含語法和語義的自然解析這兩個步驟，再轉化為電腦容易處理與計算的形式。上述在處理時，需耗費大量的人力成本，除此之外，還牽涉建構者本身對於所屬領域的專業度、邏輯與理解能力(所謂的人工智慧訓練師)。此外，NLP毫無疑問的是一個未來巨大的市場，無論電腦視覺或是語音識別，想要實現更人性化的功能，就需要NLP的加持，同時可預期隨著NLP技術的不斷發展，將會逐漸呈現NLP、語音與視覺融合發展的趨勢。 機器學習/深度學習 機器學習與深度學習位處在過度期望的高峰階段，各方話題與議題熱度竄升。機器學習指的是可以從資料中歸納規則的方法，是第三波人工智慧發展的代表技術，而在眾多機器學習演算法中，深度學習則是近幾年成長最快，表現最好的技術。遺憾的是，截至目前為止，幾乎每個深度學習實踐者都認同的一件事是：深度學習模型數據效果有限。要實現真正的深度學習需要滿足下列三點，這三點可以協助讀者辨別此項技術到底是人工智慧還是科幻小說。 1. 大量的數據與活動：為了使神經網路能發現新的模型，就需要有大量的數據，這些數據可以透過反覆試驗來處理和分類。 2. 運算能力：假設已有一定量的有意義數據，則需要運算能力，所幸目前已有一系列更低成本的選擇，如微軟Azure等雲端託管服務。 3. 新的敏捷方法：最後，也是最重要的一點，需要採用新的敏捷方法思考和解決問題。 大型資料庫用於訓練精確模型的必要性已成為一個非常重要的問題，同時，需要低效的人工標注數據成為一個更大的挑戰。在當前的深度學習應用中，數據的問題無處不在，由於建基於大規模數據，當滿足所需環境和約束條件時，這些系統會產出令人驚豔的成果；但若不符合上述場景，它也可能完全失效。舉例來說，若有人試圖解決大量翻譯或無人駕駛的問題，則需花很長時間來思考重要數據中的所有因素，需先建構演算法，而在過程中有很高的失敗機率。雖說如此，深度學習和先進模型的興起仍是一次革命性的進步，加速了那些針對以前無法解決的問題之技術解決方案出現，在思維上邁出重要的一步。 聊天機器人短期內破局可能性具困難度 產業中的廠商若以業務角度分析，主要分為三類： 1. 2C公司：產品直接面對用戶，如Amazon的Echo，由於未能滿足人類對於AI的美好想像，距離規模化應用上有大段距離。 2. 2B公司：如金融領域的智慧監管系統、醫療領域的醫療問答和診斷助理等。但是實際效果仍牽涉上述自然語意建構的縝密度，與場景應用設計的順暢度而有不同。 3. 2G公司：為面向政府執行行政業務類的知識庫建構和問答業務，如政府服務大廳的引導型聊天機器人、一站式辦公機器人等。 從生態系統來看，聊天機器人可分為產品，框架(Framework)和平台三類；其中框架是為了加速產品的研發，以SDK或SAAS服務的型態，提供有市場敏感度，或創意點子的需求者可快速架構特定場景和領域的聊天機器人。 短期若要大規模地拓展市場，恐怕有一定的困難度，除非在上述的關鍵技術中突然有突破口，縱然如此，各式場景應用與垂直深化探索仍不斷地激起人們對未來的想像。相信未來的聊天機器人與虛擬生命，將會以更好的體驗和型態呈現在人們面前。 (本文作者任職於優拓資訊)  

測量和監測是對1型糖尿病和2型糖尿病有效管理的關鍵。典型和傳統的測量技術透過使用血糖儀(BGM)進行。市場上1型和2型糖尿病患者使用的另一種技術選擇是連續血糖儀(CGMS)。連續測量的優點很多，其中之一是更瞭解人體，或者隨著時間推移，血糖如何藉由各種日常活動，如體力活動、飲食甚至睡眠不斷變化。隨著持續而非間歇式更深入瞭解人體行為，可進行相應治療和改善。 由於這些儀器通常在皮下測量組織液，直到最近還需定期校準血液，也就是「老派」的戳手指。然而隨著技術進步，部分CGM現在毋需對全血進行校準。 連續血糖監測系統的微電子性質通常相同，僅有少數例外。且由於這些裝置通常為穿戴式，因此尺寸問題亦須顧及，意味著需要高度整合加上有效電源管理，以提高所用半導體元件的最佳效能。 除了測量和監測外，胰島素輸送技術也在推進，閉環系統將連續監測結合藉由人造胰腺輸送的胰島素，為數以百萬計的糖尿病患者帶來更好、更方便的醫療保健及更樂觀的前景。 血糖測量技術層層遞進 傳統的BGM可以在藥房或任何藥店連鎖店購買。使用附帶的刺血針裝置(非常小的細針)刺破手指、流出一小滴血，再將血與插入血糖儀的試紙接觸。 當血液樣本與試紙產生化學反應時，會向血液樣本施加AC或DC激發電壓或電流，而結果由數據轉換器讀取。短暫等待微控制器完成計算後，最終的血糖水準將在螢幕上顯示(圖1)。 圖1　簡化的血糖儀(BGM)框圖 更先進的血糖儀具有藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)連接功能，可將分散的血糖結果傳輸至智慧手機，其通常支援雲端連接的應用程式。而結果可予以儲存，且家庭成員或護理人員可隨時查看，以改善治療效果。 CGM電路系統/電池選擇考量因素 當今，連續血糖儀的系統架構將類比/數位(A/D)和數位/類比(D/A)以及輸入/輸出功能整合到單片矽中，通常是特殊應用積體電路(ASIC)類比前端(AFE)或專用標準產品(ASSP)，通常在一個小的晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)中結合1個藍牙低功耗(BLE)和微控制器(MCU)，如RSL10有助於解決挑戰，使長期穿戴的裝置對用戶來說盡可能不顯眼和實用。 除了電路外，另一個影響尺寸的主要因素是所需的電池。如掌上型BGM中，通常使用一個或兩個AA、AAA或AAAA電池。這些對於CGM而言太重且太大，因此，電池的尺寸和化學性質通常決定鈕扣電池的外型尺寸。 為了切實可用，必須審慎管理系統電源。峰值電流和總電流必須最小化，因為從鈕扣電池獲得的最大電流比AA電池大大減小。另一個考慮因素是放電曲線。如若使用氧化銀化學電池，通常會產生最大1.55V的電壓，使用壽命降至1.2V；若使用二氧化錳化學電池，則額定電壓為1.5V，使用壽命降至1.0V。 胰島素注射趨向智慧化 胰島素以往是在需要時使用臨床級注射器和針頭自行注射，就像在診間接受注射一樣。現在有很多種胰島素已經上市銷售，快速、短、中、長效類型的胰島素可以單獨注射或根據需要混合使用。 最近皮下注射的替代品已進入市場。有一種替代方法是噴射式注射器，其以細流將胰島素輸送並進入皮膚。另一種是注射器筆，藉由一根超細針頭自動分配胰島素，使利性和舒適性大幅提升，同時還能減少注射恐懼感(圖2)。 圖2　智慧注射器筆架構示意圖 這些替代裝置實際上更趨於機電化和「智慧化」，就如同傳統血糖儀。至於注射筆的設計採用微控制器和藍牙低功耗無線電，目的是捕捉和報告離散的注射時間、注射量等等。 胰島素泵浦改善輸送效率 胰島素泵浦可精確控制1型和某些2型糖尿病患者的胰島素輸送，但更常針對1型糖尿病患者。這些泵浦是方案的關鍵部分，最終在「閉環」系統—人造胰腺中發揮作用；其採用胰島素泵浦接收連續測量血糖數據的系統，再加上適當輸送控制和演算法創建人造胰腺，此為糖尿病管理的關鍵。 使用CGM代替多次刺手指，這是一種利用連續數據而不是幾個離散數據點的較佳測量方法。同樣地，能避免一整天低血糖和高血糖是一大進展，有了人造胰腺意味著患者不再需要擔心夜間低血糖、睡眠期間低血糖水準或測量/注射的頻率。這可以大幅改善他們的健康、生活品質，還可能延長壽命(圖3)。 圖3　簡化的胰島素泵浦系統圖 合理想像，採用自動輸送胰島素需要依靠系統的安全性、可靠性和準確性，這使得裝置製造商於選擇技術、系統和元件供應商的過程至關重要。 人造胰腺連結雲端監測健康 人造胰腺的物理設計有很大差異，儘管戴在身上或配置在使用者的皮帶上。圖4所示架構描述常見的方案，利用高度整合的ASIC，含所有類比前端模組、電源管理、MCU或控制模組以及一個整合的藍牙低功耗無線電以幫助通訊。所有系統都包括某種類型的胰島素儲存裝置，提供適當驅動器機制的泵浦或致動器系統，藉由皮下針頭輸送胰島素的導管或套管系統，以及各種類型的感測器(如運動、壓力、溫度、血糖)。離散或未連接的測量系統主要區別，在於連續和閉環回饋。 圖4　人造胰腺圖 除了血糖感測器以外，還可以使用幾種感測器，如用於人體穿戴裝置的低重力加速度計和溫度感測器來監測活動水準，以改進劑量演算法。這些感測器持續提供有關身體運動和外部環境的資訊，同時還提供有關血糖水準的相關資訊。人工智慧(AI)可用來估計所需的近期和中期胰島素治療。 大多數系統使用藍牙低功耗與連接到雲端的智慧手機進行通訊。但有些人使用無外觀設計的可攜式Pod與單獨的控制系統，亦稱為「個人裝置管理器(PDM)」的系統通訊，在此情況下，PDM用於用戶間交互作用，並可作為開環(非閉環)控制系統，其亦通常藉由Wi-Fi或LTE提供雲端連接的功能。 藉由雲端連接，護理人員可收到通知並介入追蹤。此外，藉由雲端運算，可從大數據分析和人口管理獲得更多的功能。而在某些情況，除IC整合外，甚至被動元件也與高度整合的半導體ASIC整合在3D混合模組中，體現尺寸、重量和性能等優勢。 低功耗藍牙供電　實現高效傳輸 回到對鈕扣電池運作和低功耗工作需求，諸如安森美半導體(ON Semiconductor）的RSL10藍牙5認證的無線電系統單晶片(SoC)之類的元件可提供適當選擇方案實現與人造胰腺方案的通訊。 RSL10提供低功耗，經嵌入式微處理器基準協會(EEMBC)驗證，且近期獲用於可植入式及生命相關的醫療應用認證，適用於低功耗電池供電的裝置；該元件搭載Arm Cortex-M3處理器和LPDSP32數位訊號處理器，提供所需的穩固性以支援複雜設計；板載384KB快閃記憶體和160KB RAM為用戶提供靈活的編程選項。此外，RSL10還為藍牙低功耗提供機會，並具有開發韌體空中升級(FOTA)應用程式的能力(圖5)。 圖5　RSL10系統框圖 此外，該元件具備額外好處，如安森美的藍牙低功耗矽智財(SIP)可用於低功耗的ASIC，進而滿足涵蓋各感測器和介面的需求。由於測量系統和胰島素輸送系統中的數位/類比(D/A)和類比/數位(A/D)轉換很普遍，因此需客製化，像是在胰島素輸送系統中，可能僅需藍牙低功耗傳輸，進而減少基頻RF和控制器成本。許多應用皆為大體積或一次性，因此關鍵在於矽，需盡可能使其具高效能以節省成本和尺寸。 (本文作者為安森美半導體無線及醫療分部訊號處理業務行銷)

許多電源系統設計人員將穩壓的DC-DC轉換器視為整體設計的關鍵。但將合適的電壓提供給負載點穩壓器，不一定都需要穩壓的PDN，或者對於中繼配電母線電壓而言，PDN穩壓並不那麼重要。考慮這一點時，電源系統工程師應該考慮應用固定比率DC-DC轉換器，它可顯著地提升PDN的整體效能。 PDN效能與電壓轉換比例/系統負載息息相關 PDN效能通常以功耗、暫態響應、實體尺寸、重量及成本來衡量。影響PDN效能的一個主要設計挑戰是電壓轉換的比例和高準確度的線/負載調整率。工程師花了大量的時間來處理不同的輸入/輸出電壓轉換率，動態調整率以及分布特性，來提高效能和可靠性。 如果系統負載功耗處於千瓦級範圍內，採用高電壓設計大容量PDN，可減少在系統中的電流等級(P=V×I)，因此可以縮小PDN尺寸，減輕重量並降低成本(纜線、母線排、主機板電源層銅箔)(PLOSS=I2R)。在轉換為低電壓/大電流前，最大限度延長高電壓傳輸距離，以盡可能縮短至負載距離是一大優勢。 但要讓高電壓、高功率PDN接近負載，則需要具有高效率及高功率密度的DC-DC轉換器。如果輸入至輸出電壓轉換比例很大，例如800V或400V轉48V，最高效率的轉換器是提供非穩壓的固定比率轉換器。這些高效率的轉換器，不僅可提供更高的功率密度，而且還因較低的功耗，可提供更便捷的熱管理。 固定比率轉換器設計實現彈性供電 固定比率轉換器的工作原理與變壓器類似，但它進行的不是AC-AC轉換，而是DC-DC轉換，輸出電壓為DC輸入電壓的固定比例。與變壓器一樣，這種轉換器不提供輸出電壓穩壓，輸入至輸出變壓由裝置的「匝數比」決定。該匝數比稱為K因子，表示為一個相對於其電壓降壓能力的分數。K因子從K=1到K=1/72不等，可根據PDN架構及PoL穩壓器設計規格進行選擇。 典型PDN電壓有低電壓(LV)、高電壓(HV)和超高電壓(UHV)(表1)。 固定比率轉換器可以是隔離式，也可以不是隔離式，而且可透過反向電壓轉換實現雙向功率轉換。例如，一款支援雙向功能的K=1/16固定比率轉換器可以作為一款K=16/1的升壓轉換器(圖1)。而額外的設計靈活性包括易於併聯(可滿足更高功率的電源要求)和串聯轉換器輸出的選項(可透過有效改變K因子，提供更高的輸出電壓)等(圖2、3)。 圖1　雙向固定比率轉換器的工作原理K=1/16的降壓轉換器，也可用作K=16/1的升壓轉換器 圖2　BCM轉換器易於並聯，滿足更高的電源需求 圖3　輸出串聯以提高輸出電壓的BCM可實現更高的設計靈活性 眾多終端市場及應用的電源需求急劇上升，因此供電網路正在經歷重大變革。由於新特性的增加以及效能等級的不斷提升，更高的PDN電壓(如48V)正在用於電動汽車、輕型混合動力車以及插電式混合動力汽車。48V符合許多系統要求的安全電氣低電壓(SELV)標準，而P=V×I和PLOSS=I2R的簡單電源方程式也說明了高電壓PDN效率更高的原因所在。 就一固定功率而言，與12V系統相比，48V系統電流為1/4、線路功耗為1/16。在1/4的電流下，纜線和連接器可以更小、更輕，而且成本也會更低。用於混合動力汽車的48V電池功率是12V電池的4倍，增加的電源可用於動力系統應用，以減少二氧化碳排放，提高燃油里程數並增加新的安全及娛樂特性。 在資料中心機架中增加人工智慧(AI)，使機架電源需求提高到20kW以上，因此12V PDN在使用方面既笨重，效率又低。使用48V PDN，則可獲得與混合動力汽車相同的優勢。在汽車及資料中心應用中，最好保留原有12V負載及PoL常用降壓穩壓器，以最大限度減少需要修改的內容。 非隔離固定比率轉換器實現高效電壓轉換 48V符合SELV標準，因此非隔離固定比率轉換器是48V至12V DC-DC轉換級的選擇之一，因為目前的PoL 12V穩壓器能夠因應輸入電壓的變化。非隔離、非穩壓固定比率轉換器是最高效的高功率母線轉換器，可實現更低功耗、更高功率密度以及更低的成本。此一高密度有助於最新分散式配電架構用於混合動力汽車，其中非隔離固定比率轉換器可布置在負載旁邊，因此可在汽車周圍最大限度地運作更小、更高效的48V PDN。在刀峰伺服器中，這種小型非隔離式48V至12V固定比率轉換器可以布置在靠近降壓穩壓器的主機板上。 許多全新AI加速卡如NVIDIA的SXM以及開放式運算計畫(OCP)成員的OAM卡都設有48V輸入，因為AI處理器功率級在500至750W之間。要讓依然在其機架中使用12V PDN背板的雲端運算及伺服器公司使用這些高效能卡，就需要實現12V至48V的轉換。在這些加速卡上(或在更高功率的分散式12V至48V模組中)增加一款雙向K=1/4非隔離固定比率轉換器，作為12V至48V升壓轉換器(K=4/1)，可輕鬆地將AI功能引進舊式機架系統。其中，如Vicor NBM2317可將48V高效轉換為12V，也可將12V高效轉換為48V，因為NBM是一款雙向轉換器。雙向性可將原有電路板整合在48V基礎架構中，也可將最新GPU整合在原有12V機架中(圖4、5)。 圖4　原有系統的48V電源 圖5　分散式48V架構將多個功耗更低的更小轉換器布置在接近12V負　載的位置 高電壓應用四大需求到位 電動汽車 在電動汽車應用中，電源需求決定了電池電壓必須遠遠高於目前混合動力汽車使用的48V，通常選擇400V。400V轉換為48V，配送給動力總成及底盤周圍的不同負載。為支援快速充電，400V電池由提供穩壓800V DC輸出的充電站透過800V至400V轉換器充電。 在400V/48V及800V/400V應用中，由於功率要求高，可有效使用具有高功率密度、效率在98%以上的隔離式K：1/8(400/48)及K：1/2(800/400)固定比率轉換器並聯陣列。穩壓可在固定比率轉換器級前面或者後面提供。未穩壓的功率密度及效率提升，不僅在這一極高功率應用中的這個位置效果顯著，而且還可簡化熱管理。 高效能運算 高效能運算(HPC)系統機架功率級通常高於100kW，因此使用380V DC作為主要PDN。在這些應用中，K：1/8與K：1/16的隔離式固定比率轉換器整合在伺服器刀鋒中或透過機架配電的卡上，為主機板提供48V或12V電源。隨後由12V多相降壓轉換器陣列或更高效率的先進48V至PoL架構提供穩壓。固定比率轉換器的密度和效率又一次在實現這類PDN架構中發揮重要作用，可實現高效能。 繫留無人機 另一項需要隔離的高電壓應用就是繫留無人機。繫留無人機的電源線長度可能會超過400公尺，無人機必須將其提起並保持，才能達到其飛行高度。使用800V等高電壓，可顯著縮減這些笨重電源線的尺寸、重量和成本，進而可實現效能更高的無人機(圖6)。使用板載固定比率轉換器(一般K=1/16)轉換至48V，可提供非常高效的極小供電解決方案，充分滿足機載電子產品及視訊有效負荷的需求。 圖6　電壓越高，電線就越輕，繫留無人機飛得就越高 5G通訊 現在，全世界都在提升4G無線電和天線塔為之前4G設備5倍的最新5G系統。4G PDN為48V，透過纜線從地面電源系統提供。新增5G設備，功率級顯著提升，如果PDN要保持在48V電壓下，那直徑就會非常大，電線就會很重。電信公司正在研究使用380VDCPDN的優勢，以顯著縮小纜線尺寸。在升壓模式下使用雙向K1/8固定比率轉換器，地面48V電源系統可向塔頂提供380V的電源(K：8/1)。4G和5G系統在塔頂使用380V至48V穩壓轉換器，不僅可獲得48V穩壓電源，而且還可透過380V細小電線實現更低成本的供電。 固定比率轉換器實現高效能PDN 高效能電源需求在不斷上升。企業及高效能運算先進系統、通訊與網路基礎設施、自駕車以及大量交通運輸應用，只是需要更多電源的高成長產業中的幾個市場。這些市場有一個共同的特點：每個都有極大的電力需求，可以從高功率密度的小型DC-DC轉換器解決方案中獲益，節省空間並減輕重量。電源系統工程師應當把固定比率轉換器作為實現更高效能PDN的重要高靈活解決方案，以在整體系統效能方面獲得競爭優勢。 (本文作者為Vicor全球銷售及市場行銷副總裁)

因此，煙聯網藉由無線通訊技術，讓裝置間(火災警報器、滅火器及逃生出口指示燈)傳送訊號，實現可隨意擴充之物聯網(Internet of Things, IoT)防災系統，當火災警報器啟動時，透過聲響及燈光指示民眾尋找滅火器及逃生出口指示燈，有助於民眾快速從火場中逃生。 防災物聯網協助火場逃生 無線通訊技術已是相當成熟的科技，透過2.4G的Wi-Fi，同時具有一定的穿透能力及傳輸速度，加上可聯接網路，訊息傳送至雲端便能協助使用者透過手機接收訊息。因此煙聯網結合物聯網技術改善傳統防災設備無法連動之缺點，把每個火災警報器、滅火器指示器、逃生出口指示燈當作節點，當偵測到火災發生時，將訊號透過各個節點依訊號範圍往外傳送出去，建立可隨意擴充的防災系統。 煙聯網原理及功能分析 煙聯網由火災警報器、滅火器指示器、逃生出口指示燈三部分所組成，如圖1架構所示。使用盛群半導體(Holtek)8位元之HT66F2390 MCU作為裝置的主要核心，火災警報器搭配Wi-Fi模組及紅外線收發模組，達到煙霧偵測及無線通訊的功能。煙霧偵測使用紅外線會被煙霧遮蔽的特性，在紅外線訊號被干擾時表示火災發生，並使用MCU內部之UART通訊界面與Wi-Fi模組連接，控制Wi-Fi模組發送無線訊號，達到火災警示並傳送無線訊號。滅火器指示器及逃生出口指示燈使用Wi-Fi模組，收到無線訊號時，蜂鳴器會發出聲響，達到指引的功能。 圖1　煙聯網架構圖 煙霧偵測器由MCU、Wi-Fi模組、蜂鳴器、紅外線發射接收模組組成。煙霧偵測部分使用光反射之原理，使用紅外線作為光源，光感測器作為受光源，兩者之間夾角度避免直接受光，紅外線照射到煙霧微粒會反射到光感測器(圖2)，當光感測器接收到光，藉由MCU執行數值判斷，當數值大於濃煙標準，即判斷火災發生，驅動蜂鳴器，並透過MCU之UART通訊介面連結Wi-Fi模組，將無線訊號藉由Wi-Fi模組發送。 圖2　煙霧偵測原理圖 滅火器指示器由Wi-Fi模組、蜂鳴器組成。滅火器指示器由Wi-Fi模組接收無線訊號，若收到火災發生訊號則驅動蜂鳴器，使滅火器發出聲響，提醒民眾火災地點附近之滅火器位置，在火災發生時達到預防性滅火的功能。而逃生出口指示燈，由出口指示燈、蜂鳴器及Wi-Fi模組組成。當Wi-Fi模組接收到火災發生時煙霧偵測器所發出之無線訊號，將自動點亮逃生出口指示燈，提示民眾疏散動線及逃生方向，增加公共場所火災時的逃生機會。    MCU為煙霧偵測器核心 HOLTEK 8bit MCU HT66F2390在煙聯網中扮演重要角色，由MCU作為煙霧偵測器的主要核心，透過UART連接粉塵感測器讀取環境空氣中粉塵之濃度值，並判斷是否超標，超標即代表火災發生，藉由UART控制Wi-Fi模組改變參數，使逃生出口指示燈、滅火器指示器運用搜尋的方式，接收火災發生之訊息，並指示民眾在火場中逃生。 煙聯網架構與多系統連動    火災警報器硬體架構(圖3)，由電池提供電源，使用盛群8bit HT66F2390作為主要控制MCU，利用光線經過煙霧微粒會反射的原理，判斷是否發生火災，當受光模組接收到一定數值之光線即代表火災發生，透過MCU驅動蜂鳴器提醒民眾盡快疏散，並透過UART介面連結Wi-Fi模組，發送無線訊號驅動滅火器指示器及逃生出口指示燈。 圖3　火災警報器硬體架構圖 滅火器指示器及逃生出口指示燈的硬體架構大致相同(圖4)，滅火器指示器及逃生出口指示燈硬體架構圖，皆由充電電池供電，確保斷電時能延續一段時間的正常動作，由Wi-Fi模組作為主要控制核心，當收到火災警報器發出之無線訊號，將驅動蜂鳴器，指示附近民眾尋找滅火器，不會使用滅火器的民眾則可以藉著逃生出口指示燈及其發出的聲音尋找逃生出口，透過火災警報器、滅火器指示器、逃生出口指示燈三個獨立系統互相連動，發揮滅火及逃生指引效果。 圖4　滅火器指示器及逃生出口指示燈硬體架構圖 微處理器 HT66F2390微處理器CPU具有8MHz、12MHz、16MHz三種系統時脈選擇，其工作電壓分別為2.2~5.5V、2.7~5.5V、3.3~5.5V，震盪來源形式有HXT、HIRC、LXT、LIRC，內建8MHz、12MHz、16MHz的RC振盪器，並有多元操作模式FAST、SLOW、IDLE、SLEEP，支援長指令，具備省電及喚醒功能。HT66F239具有Program Memory 64K×16-Bit，Data Memory 4096×8-Bit，EEPROM Memory 1024×8-Bit，最多支援58支雙向I/O腳位，具有4支外部中斷輸入功能腳位，多個計時模組支援時間計數、比對吻合、PWM功能。 它的周邊功能有串列界面模組SIM，包含SPI、I2C傳輸，串列周邊介面SPIA，兩組UART傳輸，兩組時基計時裝置，可定時產生中斷訊號，兩組類比比較器，最多支援16個通道、12-bit解析度的A/D轉換器，內建MDU乘法器除法器運算單元供開發者使用。 煙聯網使用MCU之UART傳輸介面讀取粉塵感測器數據，分析並計算環境之粉塵濃度，當濃度超標時，驅動蜂鳴器及LED燈，提醒使用者火災發生，並透過第二組UART傳輸介面與Wi-Fi模組溝通，驅動Wi-Fi模組傳送訊息給訊號範圍內之其他防災裝置。 粉塵感測器 GP2Y1051AU0F粉塵感測器，由Sharp公司生產製造，內部由光感測器(PD)及發光二極體(LED)、微處理器(MCU)所組成(圖5)，藉由內部MCU驅動LED發出光線，光照射到粉塵會有散射的現象，散射進入到光感測器內的光轉換成電壓大小，藉由三次的功率放大(Amp Circuit)將微小電壓放大，並透過內部MCU執行A/D轉換以UART通訊方式輸出，即為量測環境中粉塵濃度(圖6)。 圖5　工作原理圖 圖6　架構方塊圖 GP2Y1051AU0F粉塵感測器藉由UART通訊協定作為粉塵濃度值之輸出，Baud Rate為2400bit/s，數據發送格式(表1)，換算公式如下： Vout值=(Vout(H)*256+Vout(L))/1024*5 如表中範例值，Vout=1.53V。 表1  粉塵感測器輸出資料表 煙聯網使用HT66F2390與粉塵感測器連接，以UART通訊方式接收資料計算出粉塵濃度，並判斷濃度高低，在數值超標時判定為火災發生，驅動周邊防災系統。 Wi-Fi模組 ESP8266Wi-Fi模組是一顆32bit微處理器，工作電壓為3.3V，Wi-Fi模組外觀如圖7所示，具有Wi-Fi 802.11b/g/n 2.4G Radio，可以設定為AP、Station或AP+Station網路模式，並支援UART、I2C、GPIO、PWM、SPI、ADC等功能，價格便宜且容易取得，成為物聯網應用中常見的晶片。 圖7　Wi-Fi模組外觀圖 煙聯網使用ESP8266Wi-Fi模組UART通訊介面與主控MCU連接，當主控MCU偵測到粉塵濃度超標時，藉由UART介面使Wi-Fi模組改變Wi-Fi參數，使訊號範圍內之其他防災裝置得以搜尋到參數改變，並發出警報聲響。 充電模組 TP4056充電模組外觀如圖8，輸入端為Micro USB接頭母頭，輸入電壓為5V可以對電壓為3.7V之聚合物鋰電池單個或多個並聯充電，充電截止電壓4.2V，具有限流及過放電壓保護，最大充電電流1000mA，電池過放保護電壓2.5V防止電池過度放電造成額外電池壽命消耗。 圖8　充電模組外觀圖 軟體流程 煙霧感測器上電時，持續偵測環境中粉塵濃度，若判斷粉塵濃度超標即透過MCU之UART傳輸介面將驅動訊號傳給Wi-Fi模組，Wi-Fi模組會改變Wi-FiAP之MAC位址讓周邊裝置可以搜尋到狀態改變，MCU同時驅動蜂鳴器提醒使用者火災發生需儘速尋找滅火器及逃生出口，達到具備火災預警的防災功能(圖9)。 圖9　煙霧感測器軟體流程圖 滅火器指示器及逃生出口指示燈之軟體流程大致相同，藉由Wi-Fi模組持續搜尋的方式，搜尋鄰近Wi-Fi AP的MAC位置，若發現MAC位置改變為火災發生時之訊號，即改變自身Wi-Fi AP之MAC位置傳遞訊號，同時驅動蜂鳴器提醒民眾滅火器即逃生出口位置，並閃爍逃生出口燈，指引民眾拿取滅火器滅火並從逃生出口疏散人群，如圖10滅火器指示器及逃生出口指示燈軟體流程圖。 圖10　滅火器指示器及逃生出口指示燈軟體流程圖 LINE...

目前電池市場的推動力不只是成本，還有對續航里程更長的車輛、更短的充電時間、以及更高功能安全的需求。為了滿足這些嚴格的電池管理系統要求，必須遵守最高標準並將偏差降至最低。 由於電動車輛40%的價格取決於電池，因此性能和電池壽命已成為EV品牌取得成功的主要因素。電池管理系統(BMS)供應商，與客戶合作，尋找最佳關鍵流程來監控和管理電動車輛電池，並確保其安全性、生產力和使用壽命。 維持BMS運作為關鍵目標 BMS能夠密切監視、控制和分配整個電池系統在使用壽命期間的充電和放電。精準監控電流和電壓分布至關重要，因為電池過度充電可能會引起火災或爆炸，而充電不足(或完全放電)則會導致電池失效。電池管理系統的品質直接影響EV每次充電所能行駛的里程數。而優質的電池管理系統能夠大幅延長電池的整體使用壽命，進而降低總體擁有成本。 在這種情況下，價格水準變得不那麼重要，而長期價值則成為關鍵指標。這是因為使用者力求在電池的整個使用壽命內獲得更好的性能。「談到精度，以及車輛整個使用壽命內的精度，不會有任何取捨。」如ADI BMS總經理Mike Kultgen便表示：「精度越高，就越能更良好地瞭解電池的狀態，從中獲取的容量就越多，電池組的運作也就越可靠。」思考電池組的投資，可將BMS的性能考慮在內，而隨著汽車設計者顧慮保固和電池組的生命週期成本，電池組性能的重要性也就更加明顯。 電池管理需全天候監控 電池研發單位對設計團隊提出了極高的要求，因為他們需要考慮一系列的優先事項，包括價格、可靠性和安全性。在處理提供48V到800V電壓的EV系統時，不能冒任何風險。 為了在駕駛員踩下踏板的瞬間提供超過100千瓦的電能，電池系統必須在數百伏特的電壓下才能高效工作。然而，鋰電池只能提供幾伏特的電壓。為了獲得足夠的功率，需要將大量電池串聯在一起形成很長的電池堆疊。通常電動車可能使用100個獨立的電池，在電池堆疊的頂部提供350伏特的電壓。但這帶來了一些挑戰。 在長長的電池堆疊中，如果有一個電池失效，實際上相當於所有的電池都失效了。因此需要監控和管理所有電池，為電池充電、放電，且在車輛生命週期的每一天都要如此。鋰電池不能在極限充放電情況下工作，而必須保持在非常特定的範圍內，例如15%到85%，否則電池性能就會下降。 BMS確保電源狀態穩定 在電源的監控與管理方面，其中ADI的BMS可從電池組生產到報廢的整個週期中，提供精確的電池測量資訊。電子設備直接連接到電池堆疊中的每個電池，報告與電池電流對應的電壓和溫度。系統可提供充電狀態和健康狀態。每個電池的電流和溫度必須透過中央處理器的複雜演算法進行監控。ADI內建通訊介面，同時支援模組化設計(架構)，並且完全可彈性擴展，適用於不同的客戶群體。 ADI BMS總經理Mike Kultgen表示：「BMS對電池進行持續監控，能夠隨時在各種溫度和工作條件下提供可靠的測量精度。系統知道每時每刻的狀況，並且高度依賴從ADI晶片接收到的資訊。」 BMS精度/可靠/穩定創造品牌可信價值 與電池管理系統專家如ADI密切合作，可以接觸到種類多樣的元件和產品。他們為OEM廠商提供人們的系統級專業知識、深厚的領域知識以及多年的BMS實際設計經驗。原始設備製造商則可以提高每次充電行駛里程效率、延長電池使用壽命、確保安全性，並提高品牌信任度。 ADI AUTG副總裁Patrick Morgan表示：「客戶告訴我們，使用產品時需要信任產品，因此我們在他們的場地或我們的工廠舉辦技術高峰會，並邀請關鍵設計人員和應用工程師與他們的團隊交流，花一兩天的時間介紹發展規畫，客戶需要解決的問題，然後討論如何解決他們的特定問題。透過一連串的專注合作來建立信任。」 ADI應用經理Cuyler Latorraca亦補充：「曾有總部設在亞洲的客戶要求根據舊電池管理系統設計新的電池管理系統。研究了他們的想法、系統要求和操作環境之後發現，他們的接地方案導致系統測量存在誤差，這是業界常見的問題，最後我們採取措施消除該誤差。」 電池趨勢朝增加蓄電/減少重量與成本方向研發 ADI一個積體電路中有3至18顆電池，支援的電池數量具競爭優勢。ADI BMS市場經理Greg Zimmer表示：「高壓電池系統技術日新月異，廠商在增加容量、延長使用壽命方面承受著很大壓力。業界將如何實現這一目標？在打造能夠持續使用10年的電池的同時，如何從電池組中獲取更多電能、增加其續航里程、支援更快的充電，並開發集中式和模組化的設計？」 ADI與原始設備製造商合作，透過架構創新來改進功率密度、精度和重量等挑戰，而ADI第5代BMS可望在明年投入車輛生產。 BMS須滿足EV市場需求 電池管理系統須滿足EV市場對安全、高品質、高性能電池日益成長的需求，例如ADI即憑藉以下系統級經驗，以及多樣化的元件產品，提供多元選擇。 ・高精度和穩定性。 ・透過單一元件和簡化設計全面支援ASIL D。 ・高速、EMI可靠、電氣隔離、具有備援的低成本菊鍊，可因應故障情況。 ・產品安裝基礎雄厚，已有四代產品投入現場使用。 ・透過一系列BMS產品提供系統級解決方案。 在生產大量電池組的同時，也會產生大量可供回收利用的廢舊電池組。只要電池在整個生命週期中管理得當，則耗損並不意味著報廢。在考慮總體擁有成本時，必須將儲能裝置再用於車輛以外的其他用途(也稱為第二生命)考慮在內。 (本文作者為ADI BMS總經理)

服務型機器人是高度複雜的系統，其中強調設計日趨精巧的極限，以及高效率和可靠性。這類機器人不但尺寸小，技術參數和要求也同樣嚴格。能源效率、續航力長的電池、小巧外型和出色的硬體熱管理，是機器人設計滿足及超越使用者期望的關鍵。如果考量軟體元件，連線服務型機器人資料保護、驗證及授權也是消費者最重視的項目。機器人專案成功與否，往往取決於所需半導體解決方案的可用性和擴充性。本文將探討不同機器人驅動器技術的使用案例和優點，其中特別關注MOSFET、封裝和高切換頻率解決方案，如氮化鎵(GaN)。 圖1　服務型機器人近年廣為工業使用 服務型機器人常見系統架構 在大多數情況下，最常見的機器人架構包括中央處理器(CPU)、電源/電池管理單元、電池充電器、無線通訊(COM)模組、人機介面(HMI)、感測器和驅動模組(有刷和無刷馬達)。部分機器人並沒有本文探討的所有元件，但以上架構仍可作為良好的系統概述。 主CPU是中樞大腦，執行大部分的系統智慧功能。此處理器負責系統協調，以排程獨立的方式命令不同模組執行工作。其餘模組則執行指令，並將狀態回報主CPU(圖2)。 圖2　常見機器人系統架構方塊圖 大多數服務型機器人都是以電池驅動，以便靈活運動。這類機器人採用內建充電器，可直接連接交流電網。在這類情況下，機器人內部包含充電器，以產生高電壓DC位準，並由電源管理單元進一步繼續處理。無線充電功能是這項應用的新興趨勢，特別是需要連續工作的機器人，因為無線充電可讓機器人一邊充電一邊運作。 如前所述，現今大多數機器人系統為電池驅動，因此電源/電池管理單元在架構中相當普遍。電池管理單元負責處理電池的整體狀況(包括健康狀態和安全)，同時也提供保護，避免受系統過壓或過電流影響。在電池模組中，安全性(包括身分驗證)是需要考慮的關鍵因素。電池也仰賴通用微控制器實作輔助功能，例如電池系統的計量或監控。除電池管理單元外，電源管理單元以穩定方式為其餘模組控制所需的電壓軌(12V、5V或3.3V)，向機器人內部的不同元件供電。其中可以採用固定或可調整的降壓轉換器控制器，或使用線性穩壓器。 機器人配備無線通訊模組，能夠與其他機器人或控制單元等系統互連，即時指揮完整的機器人隊。通訊通常採用Wi-Fi或藍牙技術。在許多情況下，本機控制器負責通訊程序，作為機器人主控制器和外部世界之間的閘道。 越來越多機器人與人類有一定程度的互動。簡單的顯示器或甚至高解析度顯示器可實現人機介面，但LED燈也可用於向使用者提供資訊或反饋。一旦機器人具備足夠智慧，能夠透過語言與使用者互動，因此需要語音輸入及輸出裝置。 此外，服務型機器人設計可以考慮採用不同類型的感測器。驅動器通常會採用位置感測器(霍爾感測器、編碼器)、速度、角度或電流感測器。如果機器人需要精確瞭解其環境，就需要更多類型的感測器，例如用於運動感測的雷達感測器(距離和方向)、氣壓感測器，或用於物體識別的3D影像感測器。對周圍環境的感應能力，提升了機器人的自主能力，特別是部署在擁擠倉庫等複雜環境時。 最後，驅動器模組也是常見系統架構的一部分。若需要精確定位、高速或安靜運作，設計人員將決定結合無刷DC(BLDC)馬達和一組位置感測器；或如果低效能馬達控制(慢速、低精度)足以因應需求，設計人員將選擇有刷馬達，受益於該類解決方案較低的成本。此外，也有機器人應用同時採用有刷和無刷馬達，以同時滿足效能和成本效益等目標。 簡單敘述服務型機器人背後的主要技術結構之後，接下來將揭露傳導損耗如何影響機器人整體效能，以及可用於減輕這類損耗的半導體解決方案和技術。 加強MOSFET品質因素 減少切換/傳導損耗 最佳化機器人電池壽命方法之一，就是提升機器人馬達的效率，以減少功率損耗。在馬達應用中，傳導和切換損耗都是重點。像是半導體商英飛凌(Infineon)便加強MOSFET的品質因數，其中特別重視降低MOSFET的RDS(ON)(汲極至源極導通電阻)及閘極電荷(電容)，在每代產品中盡可能降低這兩種損耗。 若視控制方法而定，便可發現不同損耗。使用同步整流時，如果電流飛輪通過其本體二極體，低側MOSFET就會導通。這大幅降低本體二極體的傳導損耗(PLoss=IF×VF)，因為新一代產品的MOSFET RDS(ON)值越來越低；不過低側二極體仍是主要的損耗來源之一。為了解決這項問題，採用整合式肖特基二極體的MOSFET，可降低正向電壓，進而將二極體功率損耗降到最低。這類產品稱為OptiMOS FD(快速二極體)，可透過字尾LSI識別，例如BSC010N04LSI。 圖3顯示功率損耗分析，於使用區塊整流PWM(6階)搭配同步整流的三相變頻器之中測量。供應電壓為18V，選擇用於比較的MOSFET為LS和LSI版本的BSC010N04。 圖3　功率損耗分析，顯示高側(HS)及低側(LS)MOSFET及本體二極體(D)損耗的傳導(Cond-)及切換(SW-)損耗。低側本體二極體損耗主要為傳導損耗，可使用LSI零件降低。 燭光圖清楚顯示傳導(Cond-)及切換(SW-)損耗，在高側(HS)及低側(LS)MOSFET都扮演重要角色。其中有三項與此有關的主要發現： 1.低側MOSFET允許軟切換，因此切換損耗可忽略不計。 2.低側二極體的傳導損耗，是迄今為止最主要的損耗來源。 3.LSI(快速二極體)版MOSFET採用整合式肖特基二極體，大約可降低25%的傳導損耗，降低幅度取決於電流位準等系統條件。 切換損耗與切換頻率密切相關。機器人變頻器的常見頻率範圍為10kHz至40kHz。切換頻率越高，損耗越大。像是英飛凌的OptiMOS解決方案提供低RDS(ON)及低電荷MOSFET，可大幅降低這兩種損耗；不過損耗不可避免，電源切換時也一定會產生熱。因此熱管理是驅動器設計的主要挑戰之一，特別是在考量小型機器人手臂等高功率密度裝置時。 DirectFET封裝(圖4)為雙側冷卻封裝，直接連接金屬封裝及內部的矽晶片，而矽晶片則直接連接底部PCB，盡可能減少外部熱阻。這類封裝有效將熱從接面傳播到PCB底部，並從頂部通過金屬封裝傳播到空氣中，或可選擇使用散熱器，因應更嚴苛的情況。此封裝除了採用較薄外型，也是空間受限設計的良好選擇。圖3顯示DirectFET和D2Pak封裝之間的熱阻比較。DirectFET熱阻(8.1℃/W)不到D2Pak(16.8℃/W)的一半。 圖4　比較DirectFET和D2PAK封裝的熱阻，DirectFET封裝可在高密度驅動器最佳化熱設計 高切換頻率驅動使馬達控制更精確 工程師在應用中使用氮化鎵(GaN)裝置具有多項優點。GaN特性包括以較低的導通電阻，提供比矽替代品更低的導通損耗，以更低電容減少切換損耗，或改善本體二極體逆復原，使其成為高切換頻率功率應用的理想選擇。提升切換頻率有助於加強驅動器效能，例如減少轉矩波動。在電源供應器等其他應用中，這項技術也用於有效縮小磁性元件尺寸。 隨著切換頻率增加，必須調整控制器。其中應考量PWM解析度，以確保完整迴路能保持所需精度。例如英飛凌便提供XMC4100系列等微控制器產品，配備高解析度PWM模組，用於此類高解析度迴路用途，特別是在切換頻率增加時。此外，切換頻率升高時，必須考量微控制器的處理能力。假設採用逐週期控制方式，就要在更短時間內完成新工作週期計算。而該公司提供的控制器產品組合，其中包含32MHz的XMC1000系列ARM-Cortex-M0，乃至於144MHz的XMC4000系列ARM-Cortex-M4F和AURIX，因應更高的功能安全及效能需求。提升控制迴路執行頻率，可以加強馬達動態，進而實現更精確的控制。 而英飛凌產品方案還包括專門用於驅動器控制計算的特殊MATH輔助處理器(包括用於三角計算的CORDIC單元和一個除法單元)。相較於標準實作，此輔助處理器可縮短XMC1000系列控制迴路的執行時間(比較硬體與軟體計算)。 圖5顯示餘弦和除法函數的執行時間比較—通常用於驅動器控制演算法，如磁場導向控制(FOC)。 圖5　使用標準ARM Cortex-M0和XMC1300進行餘弦和除法函數的標準化執行時間 傳導/切換損耗最小化　機器人開發技術再提升 工程師重視驅動器的設計參數，以便能夠開發下一代機器人解決方案和裝置。他們可以選擇不同的半導體解決方案以微調其設計。最終產品的切換頻率和熱阻等技術參數，訂定了驅動器的要求。為了建構充分最佳化的系統，設計人員必須盡可能減少傳導和切換損耗，並最佳化熱管理。 採用整合式肖特基二極體的MOSFET可降低正向電壓，進而將二極體功率損耗降到最低。工程師還可以利用DirectFET等新型封裝設計，提供最佳化熱管理。新型寬帶隙解決方案(如GaN裝置)可建立基礎，打造切換頻率更高的驅動器，在精度及占用面積等層面提供協助。 (本文作者為英飛凌科技應用工程師)

這些自動化功能(包含多重攝影機輸入、視覺感受與場景產生)需要更強大的汽車處理能力。先進駕駛輔助系統(ADAS)應用的處理器必須能結合視覺或其他感測器資料，為車輛提供具高度可靠的轉譯環境，讓車輛在低速下不論是否由駕駛操作，都能安全運作。例如德州儀器(TI)設計Jacinto 7處理器系列便是克服此挑戰的選擇之一。 本文將舉例說明汽車客戶如何以TI Jacinto TDA4VM建立ADAS應用，提供輔助與完全自動化的停車功能。包含討論此類系統的技術需求，內容涵蓋所有汽車市場類型(迷你型、中型、大型、豪華型)與Jacinto TDA4VM矽晶裝置和軟體平台，並說明如何開發安全舒適的自動停車技術。 自動停車/輔助三系統解析 依系統功能，將停車輔助系統分為三種基本類別(表1)。首先是基本環景系統，運用多個攝影機輸入，立即為駕駛提供車輛周遭區域360度的環景影像。攝影機輸入整合在單一俯視影像中，並以車輛為中心點，提供駕駛視覺資訊，於手動停車時提供協助。覆蓋部分表示車輛與物體、人行道或停車線的相對位置，強化環景影像。 表1  環景系統與自動停車應用和需求 其次為半自動自主停車系統，結合攝影機、超音波與位置資訊，可打造更完整的車輛周遭環境影像，進而協助部分的自動停車工作。車輛可根據這些資訊完成基本停車任務，控制方向盤、煞車、油門與換檔，自動操控車輛進入(或離開)平行或垂直的停車位。在此情境中，駕駛需先尋找可用車位並保持完全控制，讓系統適時接手自動停車任務。 最後，全自動泊車系統功能更上一層樓，車輛可完全自動停入與駛出定義清楚的停車區。駕駛從尋找可用車位起，便可在停車過程停止對車輛的控制。此應用需要更多感測器輸入及更複雜的處理和演算法，才能讓汽車既可靠又安全地執行停車任務。 從基本環景檢視到全自動泊車，每種方式所需的感測器、資料與資料處理量皆大幅增加。因此專為這些應用而設計的處理器SoC需要以下功能： ·影像輸入處理程序 ·通用處理 ·針對深度學習任務加快速度 ·為覆蓋影像產生進行圖形/汽車安全完整性等級(ASIL)處理，以確保系統運作安全 表1說明各系統類別所需的演算法與晶片功能，包含深度學習兆次運算(DLTOPS)、Dhrystone每秒百萬指令數(DMIPS)、每秒十億次浮點運算(GFLOPS)、影像訊號處理器(ISP)或硬體加速器(HWA)的百萬畫素處理能力等。依照各種功能所需的絕對性能，可再細分系統類型。 軟/硬體組合滿足不同系統功能需求 從表1中的資訊發現，汽車製造商和Tier 1供應商若要在生產汽車時引進前述功能，系統設計師和商業團隊將會面臨一些挑戰。首先，汽車製造商希望提供適用各種車款的功能，也就是在經濟型車輛上使用簡易版功能，在中階與豪華型車輛則提供較高階資訊與自主性。每款車型都需面對不同經濟現實，也就是經濟型車輛使用的電子裝置不會與高階豪華車款相同，然而為各種車型更換處理器平台進行新軟體開發與驗證需耗費大量時間與成本。所以Tier 1供應商偏好能提供通用型解決方案的平台，只要在基本設計中增加額外感測器與攝影機，即可供低階與高階車輛使用。重新使用硬體與軟體資源可達必要的工程效率，以各種產品替代方案將R&D費用降到最低並加快上市速度。 有鑑於此，Jacinto TDA4VM處理器系列與TI處理器軟體開發套件(SDK)結合，為OEM與Tier 1供應商提供新的問題解決方式。這些裝置具備異質處理功能來提供應用性能，同時進行耗電量管理，並可在受溫度與體積限制的嵌入式空間中使用。TI的Jacinto TDA4VM SoC運用硬體加速、自訂處理器核心、訊號處理器、通用處理器與微控制器(MCU)，幫助設計人員打造有效的系統解決方案。TI為解決各種問題選擇並設計了各智慧財產(IP)零組件，且適合各式各樣的終端系統需求。表2針對簡易環景監控應用及較複雜的自動泊車案例，說明常用的處理步驟與IP零組件。 表2  環景系統與自動停車應用處理步驟，以及使用的 SoC IP 異質方法需依處理器核心或加速器類型使用專用軟體，可利用高階軟體概念提取低階軟體堆疊並使核心最佳化，幫助簡化開發及提供高性能核心存取。OpenVX便屬於這種軟體架構，不但開放、毋需權利金，並專為即時嵌入式視覺處理而設計。TI SDK處理器使用OpenVX範例，說明如何運用SDK的軟體零組件來打造應用(如環景監控)。 停車應用SoC整合元件促成高效運作 停車輔助與自動應用的基本需求，需具備取得攝影機與影像感測器資料的特定功能，並為處理階段準備資料。處理階段會使用影像資料執行分析與深度學習演算，提取與停車應用相關的重要功能。此階段將整合(或融合)其他感測器資料，勾勒更完整的車輛周遭環境，並將影像用來執行決策，在這裡則指安全操控車輛進出停車位。最後一步是以直覺方式將影像資料呈現在駕駛眼前，幫助駕駛安全駕駛車輛。保存影片資料以供未來檢閱也是一項重要步驟，特別是全自動情況。以上所有步驟都在安全運作環境下執行，除了提供備援，邏輯上(或實際上)也將關鍵功能與其他運作分開。 TI在TDA4VM SoC設計中考慮到多數的應用需求。TDA4VM SoC以對系統的了解為基礎，並以提供有效率、靈活且使用方便的解決方案為目的，整合各種零組件以執行擷取、處理和轉譯需求。其中一個主要設計是平衡處理與資料需求，以確保本機記憶體充足並確實存取高速外部記憶體，同時讓處理系統以高效率運作。圖1說明TDA4VM裝置在環景使用案例下的簡易方塊圖。 圖1　以TDA4VM為基礎的簡易環景系統 圖1展示影片與其他感測器輸入、顯示器輸出與壓縮影片檔案儲存位置。表3則說明環景與自動停車應用的處理階段，以及TDA4VM裝置支援這些處理階段的主要功能。如前所述，TDA4VM裝置是適合停車應用的完整系統晶片。但所有晶片解決方案都需能夠搭配晶片的軟體環境，因此TDA4VM SoC支援Linux完整軟體套件與TI即時作業系統(RTOS)核心。這些套件稱為處理器SDK，包含完整驅動程式、作業系統核心、應用程式庫、開機範例、OpenVX應用架構，以及說明在實際系統應用中使用軟硬體零組件的應用範例。這些套件經過TI可用裝置的評估模組認證。 表3  環景應用階段與TDA4VM裝置功能對照 Jacinto TDA4是裝置規畫推出的系列產品，其中TDA4VM是第一款。處理器系列中其他產品會以各種方式整合相同晶片級IP，無論是著重分析的應用，還是有成本最佳化需求的消費級車輛皆在整合範圍，為ADAS市場各種需求提供良好的產品。由於這些裝置都是以相同的基本硬體IP和軟體技術打造，裝置間仍具有完整相容性。為某一裝置開發的軟體資產可擴充並重複使用在同系列的其他裝置上，不但能提升開發效率，也可針對各車款輕鬆推出具各種功能組合的完整產品線。Jacinto系列技術，有助於開發不同的應用功能，如環景系統所發展的停車輔助與自動泊車。 (本文作者John Smrstik為德州儀器產品行銷；Aish Dubey為德州儀器系統工程師)

借助最新一代的低功耗藍牙5.1核心規範，藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth SIG)為建基於廣泛藍牙標準的位置追蹤服務創造有利於提高精確度的發展條件。根據ABI Research預估到2023年，支援藍牙位置追蹤服務的產品銷售量將高達4.31億個。 除了已知採用RSSI技術的遠距離追蹤功能外，新的核心規範還提供方位尋向(Direction-finding)功能，此功能可以確定訊號方向，也可以達成非常精確的位置追蹤，而其精確度在數公分以內，並且在消費領域和工業應用中提供各種新型潛在應用。 以藍牙實現位置追蹤/目標定位 藍牙位置追蹤服務可以採用以鄰近為基礎(Proximity-based)的解決方案或定位系統的形式(圖1)。前者通常是用於估計彼此(三者以上)範圍之內的兩個藍牙裝置(通常是智慧手機)之間的距離的應用。早已投入使用，以鄰近為基礎的解決方案，其典型應用包括興趣點(Point-of-interest, POI)解決方案，例如在零售業或博物館中，當訪客接近POI時，他們會接收到有關訪客所瀏覽物品的詳細資訊。許多針對日常物品的功能也是基於該鄰近解決方案的概念。在這些應用中，將信標(Beacon)標籤安置在要定位的物品(鑰匙串、托盤等)上，然後就可以使用智慧手機找到該信標。 圖1　藍牙位置追蹤服務 第二種類型是定位系統，它可確定封閉系統中各個物品的位置，所謂封閉系統是指封閉的空間區域，例如倉庫、博物館或機場大廳。最常見的應用是即時定位系統(Real-time Location System, RTLS)和室內定位系統(Indoor Positioning System, IPS)。 藉由RTLS，可以在封閉的系統中追蹤配備了適當標籤的多個人員或物品。這使其適用於諸如對裝置、棧板或倉庫中人員的定位和追蹤應用。 室內定位系統可與GPS相提並論，但與之不同的是，它還可以在封閉的空間中運作。永久安裝的定位信標會定期發送可由智慧手機等裝置接收到的訊號，這些裝置會根據與各個信標的距離來計算出其相對位置，讓機場或購物中心的乘客或遊客可以更容易且更快地找到他們要找的路。 以往所有藍牙位置追蹤系統都是根據以接收訊號強度指示器(RSSI)所計算出來的估計距離。接收器使用參考值和實際測得的訊號強度，便可計算出與信標的距離，計算出來的值可精確到數公尺(約1m至10m)以內。 訊號接收器設天線網格實現方位尋向 方位尋向是藍牙5.1中的一項新功能，不僅可以確定訊號的距離，還可以確定其訊號源的方向。以鄰近為基礎的傳統解決方案也可從中受益，因為訊號的方向是一項不可或缺的資訊，可提供各種協助，例如使尋找物品變得更加容易。 為了確定訊號的方向，位置訊號的接收器，意即到達角(Angle of Arrival, AoA)或發送器，意即出發角(Angle of Departure, AoD)必須具有永久安裝的天線網格(圖2)。在這兩種情況下，接收器都可確定訊號的發出方向。 圖2　左：天線網格位於接收器中；右：天線網格位於發射器中 但是，方位尋向演算法不屬於藍牙5.1核心規範的一部分。可以針對使用AoA或AoD來計算的一個或數個角度進行三角測量，以及使用RSSI測量的距離來確定這些角度，這可讓位置確定(Location Determination)精確到數公分以內。 封閉空間中AoA用於追蹤/AoD用於導航 在建基於AoA的應用中，發射器是帶有單一天線的信標，例如智慧手機或簡單標籤。多個永久安裝的接收器(定位器)可用來確定所接收到訊號的方向，其中每一個接收器都配備了複雜的天線網格。 AoA應用尤其適合追蹤物品(RTLS)，例如在自動化生產或倉庫中。當在興趣點使用信標時，這些AoA應用還可以提高準確性；建基於AoD的應用會使用信標訊號發送器上的天線網格，按順序透過不同的天線發送訊號。在這種情況下，接收器(未來通常可能是智慧手機)將配備天線以接收順序訊號。如果信標的位置已知，則接收機可以確定其相對於發射機的位置。這使得建基於AoD的應用特別適合室內定位系統，例如在機場這種封閉的空間中進行簡易的導航。與當前的IPS不同，用戶現在不僅可以接收其位置的資訊，還可以接收到其目的地方向的相關資訊。不同於AoA的應用，AoD的方法更適合仰賴無連接通訊的情況。 天線網格設計成就方位尋向功能 不管使用哪種方法，方位尋向功能最重要的成功因素之一就是天線的數量和配置。簡單地按照一個接一個方式排列的系列天線，只能確定角度。在三度空間中更複雜的配置則可以確定水平的和垂直的角度。藍牙SIG尚未提供有關天線配置的特定要求或建議，但當更多關於新位置追蹤服務的規範公開發表時，情況可能會改變。 藍牙5.1強化多項新興功能 隨著藍牙最新一代5.1核心規範及其方位尋向功能的推出，藍牙SIG已朝著提高位置追蹤服務的精確度邁出了重要的一步，這可以顯著改善各種應用場景情況下的精確度。但是，如果要利用這種潛力，則還有許多問題需要考慮。例如，理想的應用場景必須將反射和多徑干擾降到最低。理想的配置是一個封閉的系統，該系統具有足夠的永久安裝的定位器信標，而這些信標始終處於可見狀態。 為了讓使用智慧手機的室內導航能夠在整個區域運作，必須將藍牙5.1整合到所有現成的智慧手機中。而使用手機時也必須考慮極化(Polarization)的問題，因為其方向幾乎無法控制。智慧手機中有限的空間讓它只能使用一根天線，甚至在將來也是，這就是為什麼智慧手機只能作為AoA應用中的發送器或於AoD應用中接收器的原因。 舉例來說，半導體商Nordic是可以提供多協定系統單晶片(SoC)並支援新藍牙5.1核心規範的製造商之一。該公司產品nRF52833不僅支援藍牙方位尋向和藍牙長距離(Bluetooth Long Range)，並且支援藍牙Mesh、802.15.4、Thread和Zigbee以及專有的2.4GHz協定，進而讓涉及距離測量的應用可提供精確到公分和方向的資訊。該款SoC採用具有512kB快閃記憶體和128kB RAM的64MHz...

對車載網路(IVN)而言，速度、容量和可靠性等因素具有重要的意義。目前，在高速、低延遲的應用中，如控制器區域網路(CAN)、FlexRay、區域互連網路(LIN)、媒體導向的系統傳輸(MOST)和單邊半位元組傳輸(SENT)等專用匯流排缺少所需的頻寬。因此，這些舊式標準正逐漸被淘汰，改由資訊技術(IT)領域中的成熟技術所取代。 現今的關鍵範例即是汽車乙太網路，其涵蓋美國電機暨電子工程師學會(IEEE)所支援的四個標準。目前，汽車乙太網路將與跨越多個系統和子系統的多條匯流排共存。因此，在車輛和IVN的設計、驗證、除錯、疑難排解、維護和維修中，必須採用不同的測試方法。 本文概述與IVN的預期未來發展相關的趨勢、挑戰和解決方案。本文目標不是讓讀者成為該主題的專家，而是協助其奠定扎實基礎，以更深入進行IVN測試，進而讓讀者暨相關團隊將能加速讓新設計投入生產、簡化驗證測試、增強相容性測試、最佳化生產測試，以及簡化服務和維修後測試。 未來網路承載資料量/速度將大幅增加 如今，許多汽車皆包含80個以上的電子控制單元(ECU)。迄今為止，CAN、LIN、FlexRay、MOST和SENT等標準已在這些ECU和各種車載系統之間傳遞資訊：引擎、動力總成、變速器、剎車、車體、懸吊系統、資訊娛樂系統等(表1)。此外，蜂巢式和非蜂巢式無線技術(如Bluetooth、WLAN和GNSS)正在將外部資料串流傳送至資訊娛樂、導航和交通資訊系統。 表1　在主要的汽車系統中，不同的匯流排和資料速率可提供必要的通訊 在未來數年內，預計每輛車將會包含超過100個ECU，且連線的車內網路每天將要承載數TB的資料；且汽車估計將持續利用CAN、CAN-FD、LIN、FlexRay、SENT和MOST；不過，目前最高資料速率在FlexRay中為10Mbps，在MOST中則為150Mbps。換句話說，單純的「更快速」願望談何容易—普及的CAN匯流排將需要進行大規模的重新設計，以提供必要的速度、安全性和向後相容性。 隨著感測器數量增加和靈敏度提高，系統將會產生大量的資料：想像一下，有10至20部攝影機，提供360度視角，可全部傳送1080P(現在)或4K(未來)HD串流，且畫素深度從16至20(甚至是24)位元。這些數字會非常迅速地積少成多使得一部具有24位元畫素深度的4K攝影機將以每秒10至30個訊框的速率、每個訊框產生199MB。儘管現在1Gbps的速率可能已足夠，但很快將必須達到10Gbps(圖1)。 圖1　更多的系統會產生更多機載資料，這也推動對越來越多的感應器和ECU之間更快的資料速率和更寬頻寬的需求 目前IVN使用預處理硬體，在感測器處執行資料縮減(即壓縮)。不幸的是，這會導致延遲，影響反應時間，同時還降低影像品質，進一步限制有用的偵測距離。目前有一種新興的解決方案是將2至8Gbps的原始資料串流傳輸到晶片上的集中式系統(SoC)或通用處理單元(GPU)，這些資料可以處理傳入的即時資料。IVN正在從平面架構過渡到網域控制器架構；在該架構中，感測器會將原始資料串流傳輸到中央處理單元。 必要通訊串流正在擴大，並與車輛到基礎設施(V2I)、車輛到車輛(V2V)和車輛到所有事物(V2X)發展息息相關。這些均將在車輛操作和人機互動中發揮重要作用。 汽車乙太網路於高速通訊扮要角 在汽車應用中，資料的最佳利用需要更快的輸送量、更低的延遲、更高的可靠性和更高的服務品質(QoS)，以確保車輛的安全及可靠操作。隨著速度達到10Gbps，汽車乙太網路將在承載高速資料通訊方面發揮越來越重要的作用：IEEE 802.3cg，10BASE-T1，10Mbps；IEEE 802.3bw，100BASE-T1，100Mbps；IEEE 802.3bp，1000BASE-T1，1Gbps；以及IEEE 802.3ch，10GBASE-T1，2.5/5/10Gbps。 考量可用資料速率和對此類效能日益成長的需求，以及減少布線重量的期望，許多產業觀察家對汽車乙太網路普及率和連接的車載節點數量皆發布樂觀的預測。 產業標準化將迎新優勢 在整個汽車產業的歷史中，有一種歷史悠久的良好作法始終沒有改變：標準化。標準化作法之所以能夠歷久彌新，全是因為此作法可帶來重要的優勢，如供應商之間的競爭提升、組件成本降低，並確保互通性。 匯流排資料速率/支援拓撲為比較標的 在查看不同的匯流排時，比較每種匯流排的最大資料速率和其支援的網路拓撲類型是實用的資訊(表2)。 表2 主要汽車匯流排適合特定的任務範圍，但相較於以乙太網路為基礎的網路而言，這也使其通用性較差 汽車乙太網路還新增「交換結構」功能，可在區域網路(LAN)中提供高效效能。此功能會利用硬體和軟體的組合，並搭配多個乙太網路交換機來控制往返網路節點的流量。光纖網路知道其所有路徑、節點、需求和資源。在此框架內，可用的位址空間為224，可連接多達1,600萬個節點或裝置。 在新一代的IVN領域中，標準化的例子包括汽車乙太網路、MIPI A-PHY和HDBaseT車用電子。利用來自IT領域的可靠技術，隨著未來的車輛成為車輪上的資料中心，汽車產業將獲得重要的新優勢。 IVN測試於生命週期越發重要 隨著車輛達到更高的自主性，系統故障的潛在後果亦變得更加嚴重。為了協助確保此類系統的安全、可靠運作，車載網路的測試在車輛的整個生命週期中都變得越來越重要(圖2)。 圖2　在整個生命週期內維持測試一致性，將能有效避免系統故障，進而使越來越多的自動駕駛汽車能安全可靠運作 因此，仔細選擇系統設計工具和IVN測試解決方案，以充分滿足汽車生命週期所有不同階段的需求，將可為一級供應商、汽車OEM和汽車終端使用者帶來深遠的好處。 多匯流排測試並排運作挑戰多 現今的車輛採用多個同時運作的通訊匯流排。因此，系統最佳化和除錯作業既困難又耗時。在車輛的有限空間內平行使用所有技術，可能會導致電磁干擾(EMI)、訊號品質差等狀況，甚至可能導致嚴重的系統故障。 測試車載網路需要檢查整個車輛內部和整個車輛的可靠性、互通性、抗雜訊能力、串音和干擾源。驗證操作功能和通訊可靠性將遍及車輛內部每個ECU管理和匯流排連接的系統(圖3)。隨著車輛的資料密集度越來越大，測試對於確保生命週期各個階段(開發、驗證、生產、維護和服務)的安全、可靠運作至關重要。 圖3　網路架構範例，此架構使用汽車乙太網路作為中心集線器，用於與目前依賴於各種專用匯流排的各種系統進行通訊 測試挑戰1：除錯匯流排問題 CAN、LIN和FlexRay是相對成熟的匯流排通訊協定，而且設計堅固並易於整合。即使如此，車載通訊也會受到雜訊、電路板布局以及通電/斷電時序的影響，其中的問題可能包括過多的匯流排錯誤和鎖定。 使用CAN、LIN和FlexRay時，常見的問題包括訊號故障的疑難排解、除錯解碼通訊協定，以及瞭解多個通道、感應器和致動器。使用SENT時，則難以先配置示波器以解碼快速通道和慢速通道SENT訊息，然後再觸發解碼後的資訊。 如上所述，在車輛的近距離內同時運作的多條匯流排會產生EMI，進而導致訊號品質較差。預相容性測試可協助讀者隔離並確定訊號品質問題和匯流排效能問題的原因。如同CISPR 12、CISPR 25、EN 55013、EN 55022(由EN55032取代)和CFR Title 47，第15部分等相關標準相較，此測試還將提高讀者通過EMI和電磁相容性(EMC)正式測試的能力。 測試挑戰2：驗證電氣相容性 若要讓整個系統維持安全的運作，使用者必須確保可靠、低延遲的資料輸入/輸出車輛，或在車輛內傳輸。與CAN、LIN和其他產品不同，汽車乙太網路具有一套由IEEE和開放汽車聯盟(OPEN Alliance)定義的複雜的相容性測試套件，其中包括確保符合標準的電氣要求。這些測試通常會在設計、驗證和生產期間執行。 使用汽車乙太網路時，實體(PHY)層電氣測試涵蓋了發射器/接收器(收發器)效能的幾個關鍵屬性，如表3所示。具體目標是測試實體介質附件(PMA)與各種電氣參數的相容性。圖4顯示一個主發射器時序抖動測試的範例。有鑑於嚴格的相容性限制，以及需要消除任何可能的隨機或確定性抖動來源，主機和從屬裝置抖動量測可能會極具挑戰性。 圖4　主發射器時序抖動分析顯示了30.68ps的時間間隔誤差(TIE)，這是使用Tektronix 5/6系列MSO示波器和選配5-DJA/6-DJA量測所得出 表3　汽車乙太網路標準包括電氣量測，這些量測可分析透過單一UTP電纜所傳輸的訊號品質特性 測試挑戰3：驗證通訊協定相容性/系統效能 數位訊號的常見心理圖像是簡單的方波狀脈衝序列，具有兩個等級，指示「一」或「零」。實際上，大多數數位通訊網路使用多個等級來編碼每單位時間的更多資訊。有一種常見的方法稱為脈衝振幅調變(PAM)。 汽車乙太網路使用一種稱為三級PAM或PAM3的技術，以在相同的時脈頻率下達到更高的資料速率；在PAM3中，每個位準均須在特定的電壓位準下且在相對嚴格的容限範圍內。 這些訊號可能非常複雜，但是以示波器為基礎的量測(稱為眼圖)這種相對於訊號編碼要求(即通訊協定測試)確定訊號效能的視覺有效方式。眼圖的關鍵尺寸是其高度、寬度、線性和厚度(圖5)。結合這些資料將可提供實用的資訊，用以瞭解訊號如何可靠且正確傳遞編碼的資訊。 圖5　累積眼圖是一種可視化和分析一或多個週期內的多位準訊號特性的有效方法 務必留意的是，汽車乙太網路利用全雙工操作，這意謂著兩個連結的裝置可同時傳送和接收資料。相較傳統共用網路，其提供三個優點。首先，兩部裝置均可立即傳送和接收，而毋需輪流使用；其次，系統具有更大的聚合頻寬；第三，全雙工可在不同的裝置配對(如主從裝置)之間同時進行對話。 在這種複雜性中，汽車工程師面臨另一個挑戰：使用PAM3訊號進行全雙工通訊，不僅難以視覺化汽車乙太網路流量，亦無法完整分析訊號完整性。為了在連結上執行訊號完整性分析，並在實際系統環境中(使用示波器)對通訊協定進行解碼，設計人員需要分別查看每個連結，而此步驟要求在執行任何類型的分析之前先將訊號分隔。圖6和圖7對此狀況予以說明，而圖7則是採用太克(Tektronix)的創新型非侵入式訊號分離解決方案作為示例。 圖6　若不分離主從訊號，則難以理解該汽車乙太網路訊號的眼圖(頂部) 圖7　應用Tektronix的非侵入式訊號分離軟體，可以清晰看到主訊號的眼圖 節點之間的可靠通訊對於汽車的運作極為重要。因此，本文強烈建議在各種環境條件下使用不同的電纜長度、注入的雜訊等，在系統層級測試訊號完整性和通訊協定。 測試挑戰4：疑難排解/除錯中六大問題 無論問題是匯流排效能、EMI、電氣相容性，或是通訊協定相容性，皆由兩個基本屬性決定訊號品質，並因此決定資料效能：振幅和時序。為確保數位資訊能在匯流排上成功傳輸，必須在兩個向度上皆精確操作。在更快的匯流排速率和越來越複雜的訊號調變技術(如PAM3)下，此要求變得更加困難。 在開始除錯時，有六個問題特別常見，並且有一些眾所周知的根本原因： ・振幅問題：振鈴、動態載變電壓、矮波脈衝 ・邊緣像差：電路板布局問題、不正確的終端、電路問題 ・反射：電路板布局問題，不正確的終端 ・串音：訊號耦合、EMI ・接地反彈：過多的電流消耗、電源供應器中的電阻和接地迴路 ・抖動：雜訊、串音、時序不穩定 示波器是優先選擇的量測工具，但是由於沒有足夠的頻率涵蓋範圍、通道數、附件或螢幕上分析功能，導致疑難排解和除錯作業變得繁瑣且耗時。 標準化為IVN測試最佳解 如前所述，標準化一直是汽車產業長期以來的最佳作法。退一步談，這個相同的概念可應用於IVN測試解決方案的選擇。 透過統一的測試方法進行標準化將可協助讀者管理測試成本，如選擇一個可以輕鬆適應更高速度的測試平台，將使測試和量測解決方案支出更加有效。 在現實世界中，人們需要考量到車輛及其車載系統整個生命週期內的組織職責分野。若沒有統一的策略，通常的作法將導致在不同的測試組間的隨機測試硬體和軟體逐漸累積。 不幸的是，零散建立解決方案的方法並不足以對整合式系統或子系統進行有效的端到端測試。較可能的結果是開發團隊內部或跨活動(如開發、驗證、生產和服務)的量測結果不一致，而且測試時間會增加。 進一步仔細研究解決方案的一般屬性和特定屬性，這些屬性將有助於讀者降低測試成本，同時可確保在整個車輛生命週期中的結果一致。 概述解決方案一般屬性 在所有類型的IVN中，測試解決方案均須使讀者能查看原始的即時訊號和解碼的匯流排流量。透過CAN、FlexRay、LIN和SENT等成熟的標準，具有通訊協定解碼功能的示波器可用於查看和評估訊號品質，以及解碼後的匯流排流量。這些功能可協助讀者查看對系統效能有不利影響的相容性悖離行為。 對於汽車乙太網路而言，通過相容性測試的能力對於半導體製造商和一級供應商而言皆是不可避免的障礙。在正式的相容性測試之前執行詳細的訊號資格驗證程序，將可提升通過所需測試的可能性。 讀者可使用涵蓋所需頻率頻寬的示波器，並搭配適當的探棒、夾具、訊號源和軟體(如通訊協定解碼和分析)，來執行必要的汽車匯流排量測。如CAN匯流排是差動訊號。雖然示波器可使用單端探測方法來擷取和解碼匯流排，但使用差動探測方法將可提高訊號完整性和抗雜訊能力。 典型的測試過程是使設計經受多種操作條件(包括壓力測試)的影響，並分析其效能特性。關鍵量測包括電壓和時序量測、抖動分析和眼圖分析(如PAM3訊號)。如有需要，應可較易將結果與個別相容性測試串聯，而且更有價值的是，在整個供應鏈中相關—半導體製造商、一級供應商和OEM。 有廠商如Tektronix直接與汽車產業的工程師、第三方解決方案提供商和標準組織合作，為車載網路的驗證、疑難排解和相容性建立一系列創新的解決方案，該方案包括示波器、探棒、訊號源、頻譜分析儀和軟體。透過已針對應用進行最佳化處理的軟體解決方案，讀者可配置這些解決方案以解決CAN、CAN-FD、FlexRay、LIN、SENT、汽車乙太網路等問題。該軟體應用程式可提供進階分析功能，並透過自動化程序、量測和報告等功能有效節省時間。表4概述該解決方案在三個關鍵領域中的測試和分析：訊號品質、PMA發射器相容性和專用匯流排。 表4　可以輕鬆為車載網路應用建立正確的解決方案 IVN傳輸能力需不斷進步 確保可靠、低延遲的資料，在現代汽車內匯入/匯出及內部傳輸是整個系統維持安全、可靠運作的基本要求。考量到目前和未來車輛設計中所使用的匯流排數量，達成此目標就變得越來越困難。 在缺乏周全考量的情況下，由於各個測試部門之間須逐步累積硬體和軟體測試，導致常規作法陷入典型多年開發時間軸中。不幸的是，零星建立解決方案的方法並不足以對整合式系統或子系統進行有效的端到端測試。由此可能產生的結果是在測試解決方案方面支出效率低下，並且同樣令人擔憂的是，開發團隊內部、部門之間或整個供應鏈中的量測結果不一致。 在所有主要的IVN以及整個車輛生命週期中，該方案可協助讀者和讀者的團隊更快速讓新設計投入生產、加速驗證測試、增強相容性測試、最佳化生產測試，以及簡化服務和維修後測試。最終結果便將顯著提高滿足成本和進度等計畫目標的能力。 (本文作者任職於太克)