技術頻道

工業4.0意謂著以智慧製造為導向的第四次工業革命，其最初的概念，旨在結合感測器、致動器、通訊網路等，使在物聯網(IoT)互聯架構下的虛實整合系統(Cyber-Physical System, CPS)，可水平整合供應鏈系統的價值創造、垂直整合工廠不同的管理流程，從而實現產品與生產系統的生命週期管理以及優化整體生產效能。隨著工業4.0概念的推廣流傳，更多樣的元素與技術被納入其中，概念也更臻多元完整。 然不論如何演進，其最重要的目的即為透過整合、技術與工具的導入，能夠有效地連結與實現從人員、機器設備、原物料、環境、作業方式、供應鏈、生產銷售數據等等的管理智慧化，以人機協作方式，透過連結製造相關元素、流程、數據，進行優化來提升全製造價值鏈之生產力及品質。以西門子(Siemens)在德國安貝格(Amberg)先進實驗工廠經驗推估，工業4.0化後的生產鏈可提高其生產價值至原先十倍以上，同時縮短20%新產品開發時間和降低50%的開發成本。 工業場域危機四伏　降低事故發生迫在眉睫 同時，因應工業場域可能存在各種的工安危險，現場端需要對危險區域工作人員的工作安全進行管理。根據市場研究(圖1)指出，2019年工業安全的市場規模達到33億美元，2024年預計增長至54億美元，期間的複合年增長率為8.6%增長的因素包括安全法規的要求、工業4.0以及工業領域的自動化日益增長，對人員和資產保護的安全系統的需求不斷增加。 圖1　工業安全市場規模 美國學者韓立奇(Heinrich, 1931)更指出工安意外的直接原因(工安事故三角形)(圖2)，88%的意外是不安全的行為(例如未遵守標準工作程序、在工作中開玩笑、使用有缺陷的機具、採取不正確的工作姿勢、未使用個人防護具等)所造成，10%是不安全的狀況(例如廠商的安全管理缺失、環境缺失及人為疏失、抑或是工作場所不整潔、採光照明不良、高度噪音、警報系統不良、工具、機械或物料有缺陷等)所造成，剩下2%則是無法預防的因素所造成。 圖2　工安事故三角形，著名的88:10:2比率，是工業事故預防的理論基礎。 導入AR/MR技術　智慧眼鏡提高效率 現階段的工業場域，為保障員工的工作安全，作業人員在進入現場進行工作時，為確保工作安全、操作正確，常須要背負多項儀器設備或文件，不僅耗時費力也缺乏工作效率。也因此，企業希望透過運用擴增實境(Augmented Reality, AR)或混合實境(Mixed Reality, MR)技術的協助，降低工安意外以及提升工作效率。藉由導入AR/MR技術來串連工廠流程、協助員工作業，除了可以減輕員工負擔，提高人力資源的生產效率，也能夠達到優化整體生產之能力。 對於如何在工業場域導入AR/MR技術(圖3)，Gartner的研究總監Angela McIntyre表示：「透過智慧眼鏡搭配擴增實境(AR)，除了解放作業人員雙手外，也可幫助提升技術人員、工程師，和現場服務、維修、醫療、製造等產業人員的工作效率」。而市調研究機構Forrester Research更預估，2016年~2025年間，美國企業將花費超過300億美元購買智慧眼鏡硬體，且於2025年時，將會有超過1,400萬美國人口，在工作上使用智慧眼鏡，此約占整體工人數量的8%。 圖3　工業場域導入智慧眼鏡示意圖 再者，產業界面臨的工作人口老化、職業訓練經驗傳承等痛點，亦可透過智慧眼鏡的語音指導、資訊疊合等方式現場予以工作上的協助與強化，減少員工上手的訓練時間。 根據美國勞工部的調查與估算，到2026年時，美國將有37%的勞工介於65~69歲，相當於四成的高齡勞工，而此數據在1996年時，僅有22%。採用科技導入減少高齡化缺工、經驗傳承不易等世代轉移的問題，將會是整體趨勢所在。圖4為Google智慧眼鏡和UpSkill與DHL、波音(Boeing)等公司實證研究指出，智慧眼鏡能提高工作效率的佐證資料。 圖4　從上到下，分別為風力發電機繞線，採用智慧眼鏡提供工作手冊功能，生產效率提高34%；飛機引擎維修，採用智慧眼鏡提供工作手冊功能，工作效率可提高16%。 目前，市面上已經進行商品化的智慧眼鏡，輕量化的眼鏡以Vuzix M300或Google Glass Enterprise為代表，而功能性的眼鏡則以微軟(Microsoft)的Hololens 2為代表(圖5)。儘管輕量化的眼鏡在運用上輕巧，但是礙於硬體限制，能提供的功能相對較少；而功能性的眼鏡，則是功能強大但卻笨重，相關比較見表1所示。 圖5　目前市面上已經商品化的智慧眼鏡，從左到右分別是輕量化眼鏡代表「Vuzix M300」和功能性眼鏡代表「微軟Hololens 2」。 石化產業環境特殊　人為操作步步為營 以石化產業相關業者為例，透過導入智慧眼鏡輔助人員設備操作/維修，讓人員可以藉由「實際觀看」、「實際觸摸」、「實際操作」實體設備，了解場域設備的維修作業，避免操作流程繁瑣且在設備上無標示，導致操作人員容易遺忘操作流程或操作失誤的情況發生，將有助於提高人員的工作效率和縮短訓練時間。 舉例來說，石化產業的設備中約有80%以上的設備依賴泵浦作為輸送液體、氣體或特殊流體的心臟。因此，為了讓廠區作業能更有效率且安全，減少機台損耗，泵浦的保養以及維修工作是現場作業人員均須學習的操作項目。 然而，泵浦的拆卸過程繁瑣，相當倚賴拆卸人員的經驗與熟練度(圖6)。如果能在拆卸過程中，透過智慧眼鏡以混合實境方式在實體設備上標示操作位置、方向等虛擬輔助引導訊息(圖7)，就算是不熟悉設備操作的人員，也可以有直觀的操作教學並循序地引導每一個動作，大幅簡化指導新進人員維修機台、檢修設備或機器組裝時，必須由資深人員一對一或一對多進行陪同指導教學所需要的人力成本與時間投入。 圖6　泵浦拆卸過程。從上到下，從左到右分別是泵浦拆卸前準備、泵浦拆卸、葉輪拆卸、泵浦分解、軸承箱拆卸與轉子組拆卸。 圖7　混合實境虛實疊合示意圖 此外，導入智慧眼鏡之後，除了輔助人員操作維修外，還可以遠程主控端即時動態標示人員操作時所需注意之訊息，以及目視檢查時應加強觀察的位置，減少應注意而未注意所造成失誤情形。如此一來，更能提高操作人員的作業精確度和減少人為操作失誤的狀況。 助力工業4.0發展　智慧眼鏡帶來質變 綜合以上分析可知，將智慧眼鏡導入工業場域，既呼應了AR/MR是工業場域面臨工業4.0發展趨勢下，有效且普遍的優先技術選擇，也能透過以混合實境疊合工作指示的方式簡化人員工作流程，強化作業安全、提升工作效率、降低人員操作錯誤、事故發生機率，以及減少員工上手的訓練時間。同時，智慧眼鏡的影音雙向溝通、工作文件線上閱讀、現場環境錄影存證等功能，更可以提供工作人員現場遠端協助，降低人員操作錯誤的機率，減少未注意但應注意的情況發生。最重要的是，透過導入智慧眼鏡，可以完成工安管理、訪客管理、遠端專家指導、數位工作程序指引、教育訓練以及倉儲管理等工業場域需求，相信不遠的未來可以看到更多創新應用服務。 (本文作者任職於資訊工業策進會智慧系統所)

能夠量測心律以及其他生命徵象的健康追蹤器可協助使用者規劃適合自己的運動菜單。這類裝置通常內建動作感測器，能偵測各種移動模式，協助判斷包括行走、跑步、游泳等狀態，讓它們能像計步器一樣運作。為了配戴舒適以及能在日常生活中方便使用，這些量測動作通常會在手腕上進行，因為感測器一般都裝在像是手錶、首飾以及腕帶內。然而對於量測品質而言，手腕並非最適合的量測位置。心律的偵測會受到許多動作瑕疵所侷限，由於有較多的肌肉遮擋以致無法更接近到動脈進行量測。  相較之下，耳朵更適合進行光學心律量測。醫學專家目前已經會從耳垂部位量測血氧濃度。然而消費產品至今還沒有充分運用這方面的技術，因為耳朵部位的量測裝置空間極為受限，但卻需要耗用大量電力以致於必須配置大型電池。不過，業界正持續推出各種高度整合的低功耗晶片，以克服這些問題。如今業界已能把可實際運行的生命徵象量測元件整合到一般入耳式耳機中。此外，改進反應速度也開拓出全新的應用領域以及可能性。本文便將針對此類系統進行介紹與評估。 感測訊號光學式量測法 底層的量測方法為光學式量測。過程中使用最多三個LED燈來量測短脈衝訊號。LED電流最高到370mA，最小脈衝寬度為1微秒。LED的最佳波長取決於量測位置以及量測方法。由於只會量測腕部的表淺動脈，因此這裡選擇的是綠色燈，若是在耳朵進行偵測，就會選擇能穿透到更深表皮以及具備更高訊號雜訊比的紅外線。光二極體其偵測區域和反應速度之間有直接關係，用它來量測反射回來的光線。光二極體會量測到訊號以及背景雜訊，下游的類比前端元件提供更高的訊號雜訊比，其作用為訊號濾波器，並將偵測到電流轉換成電壓，同時轉換成數位格式。演算法方面，除了量測反射光之外，還會利用加速度計濾除各種動作瑕疵，對訊號進行校正。 以下將介紹量測系統的元件。ADI的ADPD144RI晶片用來作為類比前端元件，另外還整合了光二極體以及LED。量測作業運用了一個三軸加速度計，這個加速度計除了用來辨識腳步型態以及動作外，還能移除各種訊號瑕疵。整個流程由微控制器負責控制，並作為各感測器以及承載演算法元件之間的傳輸介面。 圖1顯示測試系統，將光學感測器以及加速度計裝入到一般常見的入耳式耳機中。在設計時刻意將ADC採樣率限制在100Hz，LED密度也降至最低，藉此盡可能壓低耗電。 圖1　測試系統內含一個整合式光學感測器與加速計，置於標尺旁顯示實品的尺吋。 為進行系統特性分析，針對不同的移動模式，分別考量五種情境。過程中只運用光學訊號進行評估，這麼做不僅能判斷什麼情境中出現脈搏量測失準，還能知道何時需要加速計資料以提高脈搏量測的精準度。情境包含以下動作： ．停在原地未走動 ．停在原地並咀嚼 ．在桌邊工作 ．行走 ．跑步與跳躍 測試情境一：停在原地 圖2顯示原始資料的頻譜，表現出振幅與採樣率之間的關係。圖中出現峰值的時間即是脈搏。在沒有移動時，訊號相當清晰，可從波峰位置以及已知採樣率來判斷心律。 圖2　藉由量測超採樣的振幅即可得出心律的資訊 光學感測器會將心律紀錄成兩種LED顏色－紅外線以及紅色，每個顏色各有四個頻道。在這種方式中，採用兩個不同的顏色頻道來進行量測，其結果可能會有差異，可以選擇較穩健的變異數據。圖3A顯示不同頻道的訊號。在六頻道的設定中，可以辨識出明確定義的訊號，其中兩個頻道呈現飽和狀態。為達到更強且穩健的訊號，在未飽和頻道中套用演算法然後計算出心律。圖3B顯示紅色頻道(上方)以及紅外線頻道(底部)的心律，同時還以顏色標度顯示量測的信心水準。此外圖中還顯示多組心律數據，可透過取樣率以及信心指標可分辨出原始訊號(虛線)。 圖3　(a)顯示一個4頻道量測訊號，量測停在原地不動的情境，(b)顯示原始以及彙總資料。套用演算法即可從彙總資料中判斷出心律(黑線)，色標顯示信心水準。 總結在沒有動作時，訊號很強且沒有擋到真實訊號的雜訊，因此演算法能判斷心律並達到高信心水準。紅外線頻道的訊號要強過紅光頻道的訊號。 測試情境二：停在原地並咀嚼 情境二中多了咀嚼的動作。圖4顯示紀錄頻譜。不同於測試情境一，從圖中可清楚看到各種動作瑕疵，反映在訊號波形的跳動上。另外在頻道彙總圖上也很明顯，不再展現能清楚分辨的心律。不過，即使沒有透過動作感測器提供額外的幫助，演算法仍能正確判斷心律並達到相當高的信心水準。有趣的是，紅外線訊號的強度又再一次高過紅光頻道。 圖4　(a)顯示4頻道量測訊號，量測停在原地並咀嚼的情境，(b)顯示原始以及彙總資料。套用演算法後即可從彙總資料判斷出心律(黑線)，色標代表心信水準。不須使用加速計即可判斷心律。 測試情境三：在桌旁工作 情境三則是測試另一種日常狀況。測試人員坐在桌旁執行日常工作，並作出一些相關動作。類似情境二，系統也會偵測到各種動作瑕疵，在套用演算法後即可判斷出兩個頻道的心律。如(圖5)所示，這裡，紅外線的強度亦是勝出。 圖5　(a)顯示4頻道量測訊號，量測在桌旁工作表的情境，(b)顯示原始以及彙總資料。套用演算法後即可從彙總資料判斷出心律(黑線)，色標代表心信水準。不須使用加速計即可判斷心律。 測試情境四：行走 先前幾個情境涵蓋各種靜態量測條件，而在這個情境中測試人員以低速朝一個方向移動(約每分鐘50步)。如圖6所示，在PPG訊號中，心律和行走步伐的訊號混在一起，各頻道彙總後呈現相當模糊不清的訊號。紅色訊號區域中無法計算出清楚的心律，而演算法則是在紅外線頻道中找到一個較明確的心律。在高度波動以及低信心水準的組合中，從加速計得到額外的動作資料的確相當有幫助，特別是因為直到此時，量測都是在低走行速度下進行。 圖6　(a)顯示一個4頻道訊號，量測步行的情境，(b)顯示原始以及彙總資料。套用演算法後即可從彙總資料判斷出心律(黑線)，色標代表心信水準。在紅外線情境中，不須使用加速計即可判斷心律。 測試情境五：跑步與跳躍 情境五測的不是均勻的移動，而是交雜快跑與跳躍的動作。波形中可明確看到許多動作瑕疵，即使套用演算法也很難區隔出正確的心律，如圖7所示。因此無可避免的需要動作感測器的支援。 圖7　(a)顯示4頻道量測訊號，量測跑步與跳躍的情境，(b)顯示原始以及彙總資料。套用演算法後即可從彙總資料判斷出心律(黑線)，色標代表心信水準。不須使用加速計即可判斷心律。 為了評估對動作感測器的需求，情境5中測試的量測技術，包含使用以及不使用加速計的情境。圖8顯示的是比較沒有校正加速計資料(左邊)以及納入校正加速計資料(右邊)的加成頻譜。從圖中可看到訊號有明顯的改進，能清楚辨識出心律，但如果沒有加速計的支援便根本無法辦到。 圖8　比較沒有加速計資料(左邊)以及有加速計資料(右邊)的加成性頻譜。使用加速計後，即可重建使用者的心律。 從上述的測試情境，我們可歸納出在大多數情況下，運用整合在入耳式耳機內的感測器，可極準確判斷出心律。在局部或緩慢的平移運動，甚至不使用加速計資料也可能判斷出心律。然而在忽然與急速的動作中，如果將經過動作校正的資料一起比對，亦可對資料進行判讀。在所有情境中，紅外線訊號的強度都高過紅光訊號。 和手腕量測相比，量測耳朵的訊號強度更高，因此能得到更精準的量測數據。此外，運用紅光或紅外線還能量測血氧濃度。 總結來說，從功能測試系統的結果來看，置入耳內裝置的量測其可行性極高。量測裝置還能透過更好的機械整合，以及納入額外的量測機制使產品更加完善。此外，加速計還能用在跌倒偵測以及步伐辨識，以為客戶創造更高的附加價值。 (本文作者為ADI應用工程師)

以作業員為師　軟板插件難題逐步分解 如果要讓機器手臂像人類作業員一樣，執行軟板或排線的插件作業，最好的起點是觀察人類作業員如何在工站上執行這項作業。 首先，因為軟板或排線來料時的方向通常不一致，因此作業員一手拿起這類零件的同時，就會開始調整零件的方向，使其對準容易安裝的角度。對應到機器手臂的作業，這意味著手臂必須帶有視覺功能，可辨識出零件的輪廓跟方向性，從而進行調整。 第二，軟板或排線是用來連接系統中不同零部件的裝置，因此兩端各自帶有連接器。在人類作業員進行插件作業時，往往不會兩端同時插入，而是先插一端，確認連接器穩固接妥後，再把軟板或排線拉到另一端，進行插入動作，然後輕拉排線或軟板，確認連接是否穩固。有些連接器為了確保排線或軟板正確、穩固地連接，在連接器上還會附帶一個保護蓋，當作業員完成插件後，還需要把蓋子蓋上，才算完成整個工序。 對機器手臂來說，這道工序是相當複雜的。首先，人類作業員通常不會單手完成這個作業，而是雙手並用。因此，如果要用機器手臂來執行同一個工作，也要兩隻手臂協作會比較理想(圖1)，這會牽涉到相對複雜的編程作業。其次，機器手臂必須靠機器視覺來標定連接器公頭母座的位置，才能精準插件。此外，手臂本身還需要有力覺感測能力，以避免插件用力過猛，造成連接器損壞，或是在完成插件之後，輕拉排線或軟板，確認連接穩固。 圖1　要實現軟板或排線組裝的自動化，用兩隻手臂協作的方式是比較理想的。 正因為軟板或排線的插件作業是非常細膩的工作，因此，直到目前為止，絕大多數電子組裝廠都還是用人力來做這項工作，因為人有與生俱來的雙手跟視覺、力覺，只要稍加訓練，就能很流暢地完成這項工作。 雙「感」齊下　機器手臂也能細膩作業 但這不代表機器手臂無法勝任這項作業。機器手臂業者愛普生(Epson)近期就已與台灣某家電子製造業者完成了一條自動化示範產線的建置。在該產線中，跟軟板插件有關的工站，就採用了雙單手臂協作，並在手臂上整合了視覺跟力覺。其中，雙單手臂協作的程式編寫，以及力覺感測技術的整合，是比較大的技術挑戰。 雙單手臂協作的最困難之處在於，不僅要避免手臂互相干涉，甚至還要像人類一樣，把物件從一隻手遞給另一隻手，因此在程式撰寫時，必須十分仔細地規畫手臂的運動路徑，而且對通訊延遲相對敏感。因此，軟硬體便於高度整合，並具有完善軟體開發環境的愛普生機器手臂，在實現雙單手臂協作上有先天優勢。 其次，因為軟板或排線這類零組件十分纖細，如果在插件時施力不當，很容易損壞連接器，故機器手臂本身的力覺感測技術必須有相當的靈敏度。在力覺感測的靈敏度方面，愛普生自行開發的感測器，靈敏度可達0.1牛頓以下，這使得愛普生的力覺感測器很適合應用在精密組裝作業上。 值得一提的是，除了軟板跟排線這長度相對短的扁平纜線外，一些比較長而細的纜線，例如冷卻風扇的電源線，甚至天線跟主機板連接的纜線，除了一樣要精準且用適當力量來插件外，有時還會需要在機殼上的機構設計，例如線夾或走線凹槽配合，進行彎曲繞線，這也是可以用機器手臂進行的作業。但面對不同型態的纜線，需要搭配對應的客製化夾爪。愛普生在這方面也能提供客製化設計的顧問諮詢，幫用戶設計最適合的夾爪(圖2)。 圖2　在機器視覺、力覺與客製化夾爪的輔助下，以機器手臂完成軟板、排線插件已不是問題。 高度客製化考驗顧問諮詢能力 其實，整體來看，自動化產業是一個客製化程度很高的產業，即便是同一家公司，不同生產線的需求跟配置可能不太一樣，如果是不同公司，甚至是不同產業，差異只會更大。因此，機器手臂供應商不僅要提供產品跟技術，顧問諮詢的服務能力也很重要。 除了前面提到的夾爪客製化之外，力覺感測技術的應用，通常也是高度客製化的。力覺感測賦予機器手臂感知力量的能力，這讓機器手臂在執行很多工作時，能比以往做得更細膩。舉例來說，曲面拋光、塗膠這類作業，在沒有力覺感測技術的輔助下，當然也能透過程式編寫或CAD to Point這類軟體工具，讓手臂依循固定的路徑運動，完成作業。 但這種作法在實際應用上很容易出現問題，特別是曲面拋光。因為拋光頭本身是消耗品，隨著時間過去，拋光頭會因為磨耗變得越來越薄，如果手臂的運動路徑沒有力覺感測技術來補償修正，只按照給定路徑運動，拋光的效果會越來越糟。 因此，目前有拋光製程需求的業者，如果導入機器手臂做自動化，通常得靠經驗來決定何時更換拋光頭。但如果有力覺感測輔助，業者就可以用更科學化的方式來判斷何時需要更換耗材，而且停機更換的頻率通常可以降低，因為力覺技術可以用來修正手臂的運動路徑，讓拋光頭用得更徹底，且不影響拋光成效。 因為這類需求十分常見，而且能給用戶帶來明顯的經濟效益，愛普生目前正在整理過去相關顧問諮詢所累積的經驗跟知識，將其固化成一套具有圖形化使用者介面(GUI)的工具，讓使用者能更快、更直覺地將整合了力覺功能的機器手臂導入到拋光製程中。 (本文作者任職於愛普生)  

本文設想由影像傳輸所使用的鏡頭加入臉部辨識並結合大門門鎖進行控制，其他功能方面透過手機APP與門鎖裝置進行配合，使用者可於手機上與門前人員進行視訊、查閱通行紀錄、分享權限與使用手機進行開鎖動作，使用者不需要擔心透過手機開鎖的安全性，該功能是透過本文團隊研發的混沌加密技術所達成的動態且隨機的認證機制，能夠有效的防止盜竊者透過反覆嘗試來逐一破解密碼，因為密碼隨時都在變化。功能乃透過模組化的方式結合紅外線、超音波等感測器讓使用者能快速地擴充且應用在不同地方，而影像辨識功能採主動化偵測，若有可疑人士在門前逗留便會透過手機通知使用者，且使用者亦可透過APP隨時觀看門前的動態。 簡而言之，在科技進步與持續開發的物聯網推動中，將許多的感測器應用在人們的生活中例如車票買賣、智慧電網、網路影像監控等，在資料傳輸過程中除了近距離的無線傳輸，多方監控與遠距離傳輸都將會使用到網路，由於日常使用的網路線都是由業者建立，對於開發上便占有極大的優勢，近期由電信工會會員得知，電信行時下最常接獲由民眾或店家要求安裝網路監視器系統，但安裝的監視器只能作為影像監控。 本作品從此系統延伸，除了影像監控方面本系統也加入APP，透過影像辨識獲取的生物特徵進行大門解鎖功能，同時由硬體裝置將記錄上傳至雲端，使用者透過APP便能查閱紀錄，且亦可分享開門的權限給其他授權人，其開門的方式便是透過手機與門鎖裝置進行以混沌加密機制為基礎的連線解鎖功能，其加密方式是透過混沌亂數產生器與同步控制器將接收端與傳輸端產生的金鑰達成同步現象便能實現加解密的功能。 保全系統工作原理及功能 本作品以盛群晶片HT66F70A為主結合手機應用程式與Raspberry Pi模組，其功能如圖1所示。 圖1　主要功能圖 以保全系統為構想，將盛群晶片作為門鎖裝置，使用者可透過手機與晶片進行連線後，完成混沌加密運算功能便能將門鎖開啟，若門鎖未依正常方式開啟，應用在防盜功能上的感測器，如紅外線感測、振動開關感測模組等，將會通知晶片並透過Raspberry Pi的網路功能將開啟紀錄、影像傳輸至Firebase雲端資料庫與使用者的手機上，並且透過應用程式使用手機的通知功能，讓使用者立即收到門鎖遭到入侵的消息。 手機的視訊功能也能應用在收宅配或來拜訪的人員與使用者的溝通管道，由於一個家庭通常以兩個人以上為單位又或者公司通行的門閘處都是多人共用同一個鎖具，因此手機上還能夠將門鎖權限分享給不同的授權人，而通行紀錄也都將被回傳至資料庫提供擁有者查看。 MCU扮演核心角色 本系統應用到HT66F70A的功能如圖2所示。 圖2　HOLTEK MCU核心功能 使用晶片的睡眠模式執行節能的功用，並且透過計時計數器判斷閒置時間，若超過預設的閒置時間則將會進入睡眠模式節省電力耗損，透過晶片提供的輸入輸出腳位執行鍵盤功能的掃描式讀取提供使用者輸入密碼開鎖的應用與電子鎖具的開關控制，同時也提供喚醒按鈕、防盜感測的控制。由圖中所提出的手機解鎖功能如圖3所示。 圖3　手機解鎖功能 該功能目前以藍牙為傳輸資料的方式，但礙於HT66F70A晶片並沒有UART傳輸介面因此必須以軟體的方式透過晶片輸入腳位進行判斷，以藍牙訊號1個封包具有8個位元為基礎，單位時間內透過輸入晶片的訊號變化作為訊號的讀取接收方式各別將每一個位元接收，便能模擬一個UART串口功能。 當數值皆完成後便會進行混沌加密機制的解密功能，若成功解鎖晶片將會控制鎖具開啟，無論使用者透過哪一種方式進行解鎖，HT66F70A晶片都會將訊號藉由Raspberry Pi的網路功能將訊號傳送至雲端資料庫與使用者的手機中。 本系統鎖應用的混沌加密機制獲得專利認證，該專利主要保護混沌加密機制的同步控制方式，相較於特別之處本作品使用的同步控制方式稱為滑動模式並應用在同步控制器中，其應用的方式是透過同步參數將主僕兩端誤差收斂至0，若是設計不良的同步控制器則會造成混沌狀態發散產生無窮大的數值差距。 系統架構與晶片實作說明 本系統以網路監視器為主軸，延伸鎖具控制、加密技術、通行紀錄等等保全系統的概念作為功能擴充的方向，系統架構圖如圖4所示。 圖4　系統架構圖 該系統以盛群晶片為主，並以樹莓派的網路功能作為中繼站連接到手機與雲端資料庫。HT66F70A晶片具有休眠、計時計數、脈波控制等等功能。本系統利用計時計數器計算閒置時間是否達成，使用者只要一處碰到任何一個按鈕便會觸發另外一個中斷器將計時計數的變數重新設置，周邊元件方面，使用觸發感測器做為系統喚醒的按鈕，按鈕功能實作程式如圖5所示。 圖5　按鈕偵測程式段 以腳位F2控制LED燈亮滅為範例，偵測按鈕腳位G0若按下則亮燈，反之則滅燈，該範例應用到本喚醒功能只需要將亮燈程式替換成喚醒即可達成目的。 喚醒後可透過數字鍵輸入密碼來進行解鎖，然而每顆按鈕都需要消耗1個輸出輸入卓而言將會造成資源浪費與功能無法擴充，為了節省腳位被占用的數量，以矩陣鍵盤的方式透過7支腳位完成12個數字鍵按鈕的功能，實作方面透過一層層快速掃描的方式判斷使用者按下哪一顆按鈕(圖6)。 圖6　矩陣按鈕示意圖 圖6中將晶片輸入腳位連接至P0~4並且以飛快的速度進行輪流偵測，當使用者按下按鈕時，晶片便會偵測到腳位變化而進入程式圖7的判斷式中。 圖7　矩陣按鈕掃描程式段 程式中，透過副程式的方式呼叫keyBoard功能以for迴圈依序偵測圖7由上到下3列按鈕，並在各排進行判斷，假設使用者按下左上方的按鈕，則for迴圈執行到P6腳位提高準位輸出時，將會造成P0腳位準位上升，晶片便可透過此種方式進行使用者按下哪一鍵的判斷。 系統中還能透過使用者的APP進行解鎖，由於傳輸的介面為藍牙但HT66F70A晶片並不支援UART串口的服務，因此必須透過軟體的方式模擬該串口才能將藍牙收回的訊號轉換回數值。模擬的方式是透過藍牙傳輸的機制作為基礎，透過輸入訊號在單位時間內準位高低的變化，單位時間則由設定鮑率不同擇時間長短不同，程式範例如圖8。 圖8　模擬UART藍牙接收程式段 程式中透過INT0中斷器進行判斷，當中斷器觸發則會進入ISR功能執行暫存器的程式，圖7程式中首先設定傳輸位元的時脈大約等於0.5秒，在設定一個空的暫存空間後，透過這個單位時間進行迴圈執行的時間限制，進入while迴圈後透過與藍牙電路Tx腳位傳回準位高低變化給晶片的Rx腳位並且將0、1數值存入暫存空間後將記憶體左移等待下一個數值存入。由於藍牙傳輸的封包式以8個位元為一次通訊，當用來當作資料印入的8位元temp變數左移8次時，就會因為溢位使temp變數等於0而離開while迴圈結束單次的數值接收。 傳輸方式與接收方式略同只需將原本設定為暫存觸發才使用的程式改為副程式與腳位輸出等接腳替換後，便能將愈發送的數值傳入副程式中執行，系統中所應用到的UART功能圖如圖9所示。 圖9　UART應用功能 如圖9，由HT66F70A模擬的UART串口功能除了能夠用來傳送藍牙，也能應用在與樹莓派的傳輸窗口，系統原先愈想透過ESP系列的Wi-Fi模組進行網路功能，但影像辨識系統需透過具有多執行緒的系統進行判斷，因此將納入樹莓派晶片並且利用附有的網路功能進行傳輸。 網路監視器則由樹莓派架設虛擬IP，透過手機連線到對應位址完成影音傳輸功能，並且顯示在APP的監控頁面上。APP除了影像監控功能還具有、資料庫查詢、權限分享與開門功能，其開門功能所使用的混沌系統為一個透過混沌亂數產生器與同步控制器的加密機制，加密參數分布均勻且為動態金鑰隨時都在變更的方式保護資訊。使用者在應用上只需要事先將鎖具等產品歸屬於帳戶中，APP將會即時出現新登入的解鎖按鍵，透過按下該解鎖按鍵便能執行解鎖功能。 防盜功能以不同的感測器組合形成一個功能，本系統使用振動感測、三軸感測器、紅外線等模組進行實作，若門鎖遭到未正常的情況打開門則會觸發感測器，系統將透過網路傳送通知資訊到使用者的手機上，反之在正常情況下進行開鎖動作系統就會略過這些感測器產生的變化。 混沌加密演算法說明 混沌(渾沌)理論系統相關研究技術上由法國學者Jules Henri Poincaré開始，已具有數十年的相關歷史，技術的應用範圍相當廣泛，舉凡醫學、機器人、量子力學、生物學等等。 其中最熱門的技術就是在通訊系統的安全領域中，透過混沌隨機不可預測的參數進行資料加密便能達成高強度的保密功能，由於資訊加密進行傳輸後還需要解密還原，因此除了混沌的隨機參數還需要設計同步控制器將傳輸端與接收端的混沌參數進行同步功能，但同步功能實現後並不表示參數就失去不可預測的特性，同步功能在於雖然兩個不可預測的參數狀態不同，但透過引導的方式使僕端產生的參數收斂到與主端參數相同，也就達到動態誤差為0的需求，以密碼鎖為例如圖10所示。 圖10　密碼鎖示意圖 如圖10，密碼鎖開鎖用的密碼即是可以隨意調整，但是確定後鎖上實際卻是固定的數值，也就是所謂的固定金鑰。假如竊賊想要開鎖卻不知道密碼，只須從0000開始嘗試到9999逐一篩選的方式就能夠成功破解密碼並且打開，混沌加密機制就是將固定金鑰數值改為隨機產生，即使盜竊者從頭開始嘗試也無法破解，因為密碼隨時在改變，也就是動態金鑰相較於固態金鑰安全的差異。 由於混沌系統具有隨機、敏感、標度律等等特性，應用在加密功能上如魚得水，隨機的參數使人無法預測下一個數值為何，即使設計者也無法預先知道；透過對於極小的調整就會造成極大的改變的敏感性，使初始值不同但系統相同的產出截然不同，我們稱這個現象為「蝴蝶效應」。 混沌特性其中的標度律使本系統在未來量產時能夠將系統產出的數值侷限在一個單位中，也就是兩兩系統不相干涉，否則便會造成金鑰重疊的效應，混沌的特性中還有許多種，但本系統功能著重於加密理論透過上述3點便能完成極為安全的加密方式，因此其他特性在此不再贅述。 由於先前所提到的當鎖具與金鑰透過隨時改變提升安全性，但使用者想進行開鎖時便需要有一定的措施才能夠將鎖具與金鑰同時產生對應的參數，其設計方式下文將會介紹，透過該設計便能成功將系統同步，達成加解密功能的條件。 混沌狀態調變與同步控制器設計 為了增加破解的複雜性，同時也能增加混沌系統的狀態響應的多樣性，本作品加入調變參數，以設計具調變參數的超混沌Henon map系統，超混沌Henon map系統原式公式1 公式1 本計畫引入六個調變變數，用來動態原混沌狀態的振幅與直流位準(公式2)。 公式2 其中ai,i=1,2,3為調整振幅的參數，di  ,i=1,2,3為調整直流準位的參數，由公式2得出公式3。 公式3 由公式3帶入公式1，經過整理可得新的具調變的超混沌系統如公式4。                 公式4 由上述的推論，可完成具調變功能的超混沌系統，為了驗證可行性，使用MATLAB模擬，並設六個調變參數(a1=1、a2=5.2、a3=6、d1=0.1、d2=-0.5、d3=10)進行模擬，結果如圖11所示。 圖11　振幅與直流位準的調變圖 如圖11所示，左圖為調變前，右圖為調變後，由上至下振幅分別放大了1倍、5.2倍與6倍，而直流位準偏移了0.1、-0.5與10，由此可知，超混沌系統的振幅和直流位準調變可以依操作者喜好做調整，也證明上述的理論推導的正確性與可行性，接下來將討論同步控制器的設計，將系統分為主端與僕端，主端的系統如公式5。 公式5 僕端系統如下： 公式6 令動態誤差(公式7)為： 公式7 經上述式子，即可重新改寫主僕系統之誤差動態差分方程式如公式8。 公式8 欲使主僕混沌系統(5)(6)達到同步，必須要設計一個強健的同步控制器，本計畫使用的滑動模式轉換面設計如公式9。 公式9 假設s(k)=0(進入轉換面)，便能得到公式10。 公式10 將上述(10)式寫成矩陣形式(公式11)：   公式11 由上式可知，若將c1、c2選定為特定值，A的特徵根將會侷限於單位元中，i.e,|λ_i(A)|<1，則e2,e3=0，由(10)式可知e1=0，即可確保誤差收斂至零，轉換面的設計對於混沌同步來說相當重要，如果設計不好將會造成主僕兩者數值發散。為了確保系統能夠達到轉換面，控制器的設計如公式12。   公式12 令控制器為公式13： 公式13 由公式13代入公式12便可得公式14： 公式14 則如果令|α|<1，則代表lim(k→∞)⁡〖s(k)→0，而系統將順利進入滑動模式中，由上述步驟，完成混沌同步設計。以下用MATLAB示範同步結果如圖12~14，此模擬的振幅將調為3倍、5倍、6倍，而直流位準調至0.2、0.5與0.7。 由上述模擬結果，我們可以發現，不管是主端與僕端的波形與動態誤差，還是轉換面、控制器，與主僕端奇異吸子，都可達到同步和收斂。 圖12　主僕端同步響應圖 圖13　轉換面、控制器與動態誤差之同步響應 圖14　主僕端的奇異吸子 系統功能測試與環境說明 本系統主要測試功能逐項條列如下。 ．鍵盤輸入功能 ．鎖具控制開關控制 ．手機執行混沌解鎖功能 ．防盜感測器功能 ．歷史紀錄查閱功能 ．影像傳輸功能 ．影像辨識功能 鍵盤輸入功能測試方式為執行3乘4的矩陣鍵盤主要測試是否能夠偵測到每個按鍵，鎖具開關控制測試為確認晶片能過透過腳位觸發使鎖具開啟或關閉，手機解鎖功能為透過藍牙傳輸執行混沌加解密運算功能達成系統同步並解鎖。 防盜感測器則是透過目前暫定的3種不同感測器震動感測器、紅外線、三軸感測器各自完成觸發功能，歷史紀錄、影像傳輸、辨識功能皆是透過樹莓派的網路功能執行，其歷史紀錄內容包含使用者名稱、時間、鎖具名稱等資料，並且透過手機存取Firebase，將資料取出並顯示在手機上，影像傳輸則是直接透過網路顯示在監控頁面其中不再透過其他中繼資料庫。 作品測試需要有HT66F70A晶片、電子鎖具、3乘4矩陣鍵盤、Android手機、樹莓派、攝影鏡頭、紅外線感測器、震動感測器、三軸感測器。測試環境只需要將作品接上電源提供晶片5伏特電壓即可進行操作。 鍵盤、鎖具、防盜感測器等等逐項功能測試皆已完成，現階段只需要將各項功能匯集，並且處理功能合併後的問題例如中斷先後順序等，即可完成本系統。 另外，本系統研發之保全系統操作容易並且透過雲端資料庫功能提供使用者隨時查閱歷史通行紀錄與即時影像監控相當方便，系統本身除了延伸電信業常見的系統外還加入了物聯網概念將鎖具狀態上傳至雲端，讓使用者能夠即時監控。 (本文作者曾士哲、曹彥傑、周昱宏皆為樹德科技大學學生；指導老師為顏錦柱教授)

互聯車輛的細分市場正在高速發展中，半自動駕駛汽車及自動駕駛汽車的開發與原型製作工作，都以前所未有的速度不斷發展。據分析師預測，截至2020年，路上行駛的互聯車輛數量將達到2.5億輛，而自動駕駛汽車的數量將達到1千萬輛。截至2025年，預計市場將達到420億美元的規模，屆時路上行駛的互聯汽車和自動駕駛汽車數量將達到4.7億輛以上。 不僅互聯汽車的數量持續增長，這些汽車產生、發送和接收資料也在增加。隨著自動駕駛汽車的普及，對資料密度和資料速度的需求也會相應攀升。據麥肯錫(McKinsey)公司預測，一台互聯車輛發送的資料量(以及與雲端往來的資料量)約為每小時25GB。並且，在車輛真正實現自動駕駛後，還將提升至每小時近500GB的資料(圖1)。 圖1　車輪上的大數據--互聯汽車產生資料與線上活動資料使用的對比(每小時) 5G無線網路漸趨成熟　車聯網發展挹注強心針 無處不在的智慧手機和平板電腦已經將第四代(4G)長程演進計畫(LTE)技術的能力與速度引入到車輛當中。現在，一些主要的營運商已在數不勝數的都市區域開始啟用第五代(5G)的無線網路。5G無線資料具有巨大的潛力，透過實現更快的資料速率以及安全的車對車(V2V)連接和車輛到基礎設施(V2X)之連接，可以將智慧駕駛與自主駕駛提升到更高的水準。在計畫於幾年間就實現廣泛採用的過程中，為了充分挖掘出5G的潛力，市場將要求持續不斷地開發功能強大的網路基礎設施及車載處理技術，從而在超低延遲的頻寬下確保可靠的訊號速度(圖2)。 圖2　從網域轉換到區域架構，仰賴區域電子控制單元(ECU)之間的10G+連接。 隨著資料量呈指數方式增長，汽車技術必須將速度、訊號完整性與頻寬提升到最高程度，與此同時，還要在空間受約束的應用中降低能耗，並對熱量進行管理。電子元件已經幾乎成為每種汽車系統內的一部分，從發動機控制和變速箱監控，一直到電動座椅和先進環境控制。之前簡單的連接部分現在已經演變成了更加複雜的網路，讓汽車中近乎每個系統都需要帶電工作。 高速資料傳輸的資料量，等同於一條下一代的資料高速公路，在這條高速公路上，車輛中幾乎每個部分產生的資料都會在各個系統之間流動，並且透過乙太網路流動到閘道(圖3)。 圖3　汽車乙太網路發展趨勢 高速互聯汽車的行動性已經實現了一系列形形色色的功能，包括：安全、資訊娛樂系統與先進駕駛輔助系統(ADAS)、車載通訊、雷達、攝像頭、感測器；自動化軟體、診斷與維護；以及建基於雲端的應用與推出車輛更新的機制。 有必要區分互聯車輛與自動駕駛汽車，這一點非常重要。儘管兩者共用了一些相同的技術，但是互聯車輛利用了物聯網(IoT)，透過雲端將車輛連接到其他物件或其他車輛上，而自動駕駛車輛則使用資料進行獨立的決策。除此之外，由於自動駕駛車輛方面已經開展廣泛的開發工作，對增強連接的需求，意味著還需要連接器在特定的車輛中，能夠可靠地與每一台感測器往來收發高速、高頻寬、高功率的訊號。 如此一來，一級汽車製造商正在同時為兩者尋求解決方案，要求供應商在短期內實現可以透過現有基礎設施實施的解決方案，並且針對明日的需求來開發新的解決方案。 在畢馬威(KPMG)最近開展的一項研究中，對自動駕駛準備度水準最高的國家進行排名，其中美國位列第三，居於荷蘭和新加坡之後，而在透過強大的產業合作夥伴實現的技術與創新方面，美國則在名單中排名第一。 打造周密網路開發平台　加快互聯汽車發展腳步 產業的領導者已經攜手，根據IEEE 802.3CH標準來開發和拓展高速車載乙太網路應用。數十億位元汽車乙太網路工作組(NGAUTO)已經成立，將定義2.5Gbps、5Gbps和10Gbps下的具體效能特點與作業。此外，IEEE也許可802.3乙太網路工作組下的一個研究小組來研究10Gb/s以上速度的車載乙太網路。 對於10Gbps車載乙太網路平台來說，下一步的發展是實現一個完整的車輛生態系統，在軟硬體以及互連布線系統之間可完成無縫的多分區整合，還可靈活整合起區域互聯網路(LIN)、控制器區域網路(CAN)、FlexRay、低壓差分訊號(LVDS)這類車輛協定，以及其他一些原有協定。此外，還具備所需的可擴展性，便於未來升級。該平台還須整合出色的訊號完整性、網路流量優先順序劃分、系統可擴展性與安全性之類的功能特點，能夠滿足對更高的車載處理能力的要求，同時在自動駕駛車輛技術方面，協助汽車廠商來重新定義當今以及未來可以實現的目標。 穩健高速車載資料網路　奠定汽車連接開發基礎 對於汽車連接的持續發展來說，目前已經奠定了良好的基礎。無論是當今行駛在路上的互聯車輛與半自動駕駛車輛，還是在很快地將要成為道路上常見風景的自動駕駛車輛，對於實現消費者需要的無縫、互聯、功能豐富多樣的明日汽車來說，穩健的高速車載資料網路至關重要。 這類高速車載解決方案需要的是一定水準的專家經驗與工程能力，這將超出許多其他應用的要求。設計上的許多複雜方面，都來自於一種迫切的需求，那就是要在體積更小的連接器、纜線元件和模組中實現更好的效能。對於車載的設計，乙太網路的發展已經加快了速度，這是一項久經考驗的技術，具有充分的靈活性、可擴展性，專為高頻寬而設計，但前提是要有效地克服各種瓶頸。只有解決了電磁干擾(EMI)遮罩、衰減、回波損耗、模式轉換、串擾、阻抗以及會影響到訊號傳輸的其他問題後，可靠而又始終一致地來實現速度效能上的目標才會成為可能。 (本文作者Ali Javed為Molex進階工程經理，Harsh Patel為Molex訊號完整性工程主管)

GaN損耗低　直接驅動優勢多 在設計開關電源時，主要品質因數(FOM)包括成本、尺寸和效率。將這三個FOM結合在一起，就需要綜合考慮多種因素。例如，提高開關效率雖然可以減少磁性元件的尺寸和成本，但也會增加磁性元件的損耗和電源裝置的開關損耗。由於GaN的截止電容較低且無二極管反向恢復，因此與MOSFET和IGBT相比，GaN HEMT有顯著降低損耗的能力。正常情況下，MOSFET/IGBT驅動器會提供合適的開啟和關閉電流以支持輸入電容。驅動器輸出和裝置閘極之間的外部電阻能控制開關速度，並抑制功率和閘極迴路振鈴。隨著GaN的開關速度增加，外部零組件會增加過多的寄生電感(Parasitic Inductance)來控制開關。藉由GaN裝置將驅動器整合到封裝中，可以大幅減少寄生電感，降低開關損耗，並最佳化驅動控制。 GaN中的本體二維電子氣(2-DEG)層可以在源極和汲極之間使裝置在零閘-源電壓下導通。為安全起見，當偏壓功率不可用時，必須關閉開關電源供應器使用的功率裝置後才能斷開輸入和輸出的連接。為了模擬增強型裝置，將低壓MOSFET與GaN源串聯。圖1顯示了實現這一點的兩種不同配置：串接和直接驅動。 圖1　串接和直接驅動配置方式 接下來將比較功耗，並描述與每種方法相關的注意事項。在串接配置中，GaN閘極接地，並驅動MOSFET閘極以控制GaN裝置。由於MOSFET是矽元件，許多閘極驅動器都可輕鬆獲得。然而，由於GaN閘-源極電容(CgS)和MOSFET Coss必須在GaN裝置關閉前充電達到GaN臨界值電壓，因此這種配置顯示出更高的組合Coss。 在直接驅動配置中，MOSFET是打開的，且由接地電壓和負電壓(VNEG)之間的閘極驅動器驅動的GaN閘極打開/關閉組合裝置。此外，MOSFET Coss不需要充電。關閉GaN Cgs的電流來自於較低的偏壓電源。較低的供應電壓可提供相同的GaN閘-源極電荷(Qgs)，以降低功耗。在開關頻率較高的情況下，這些功率差異會大幅增加。反向恢復Qrr損耗在串接配置中發揮作用。這是因為在第三象限傳導中，MOSFET呈關閉狀態，並通過內接二極體傳導。由於負載電流反向流動，MOSFET中出現儲存電荷。克服反向恢復電荷的電流來自高壓電源，會導致大量損耗。 然而，在直接驅動配置中，MOSFET始終處於開啟狀態，而其寄生二極體因為較低的RDSon而不開通；因此，在直接驅動配置中不存在與Qrr相關的功率損耗。 在串接配置中，關閉模式下GaN和MOSFET之間的電壓分布會使得MOSFET因高GaN汲-源極電容(Cds)而突崩。 一種解決方案是在MOSFET的汲極和源極並聯的情況下增加一個電容器。然而，這種方法只適用於柔性開關應用，在硬性開關應用中會產生高功耗。 由於GaN閘極與MOSFET的源級相連，因此無法控制串聯驅動中的開關速度。在硬性開關操作中，GaN Cgs、MOSFET Coss和MOSFET Qrr中有效Coss的增加，以及可能因防止MOSFET突崩所產生的電流傳導，會在初始充電期間產生更高的汲極電流。這種更高的汲極電流會導致串接驅動中的功耗更高。 MOSFET的汲極電荷足以關閉GaN裝置之後，汲極中Coss的驟降，加上流過功率迴路電感的汲極電流較高，導致串接配置中的開關節點產生過大的振鈴。圖2為硬性開關事件中的開關波形，在此模擬中，直接驅動配置在每次硬性開關事件中消耗的能量更少，即使其開關速度較低，振鈴也較小(直接驅動50V/ns時為4.2W，相較串接驅動150V/ns時為4.6W，均帶5A負載電流)。 圖2　硬性開關操作導致振鈴過大。 另一方面，直接驅動配置在開關操作過程當中可直接驅動GaN裝置的閘極。當不存在偏壓電源的時候，MOSFET閘極會被拉至接地，並且以與串接配置相同的方式來關閉GaN裝置。 只要存在偏壓電源，MOSFET會保持開啟狀態，且寄生電容和內接二極體會從電路中移除。直接驅動GaN閘極的優勢在於可以藉由設定對GaN閘極充電的電流來控制開關速度。對於升壓轉換器，驅動器電路的簡單模型如圖3所示。可以從這個模型中推導出方程式。 圖3　直接驅動配置的驅動路徑模型 公式1證明當GaN裝置具有足夠的閘-汲極間電容(Cgd)時，利用閘極電流，可透過米勒反饋(Miller Feedback)來控制開關事件的速度。對於Cgd較低的裝置來說，此種反饋將流失，且裝置的跨導(gm)控制著開關速度。   　公式1   直接驅動配置的另一個優勢在於可以給閘極迴圈增加阻抗來抑制其寄生共振。抑制閘極迴圈也可以減小功率迴圈中的振鈴，使得GaN裝置上的電壓應力降低，減少硬式開關期間的電磁干擾(EMI)問題。 圖2的模擬顯示了以功率和閘極迴圈寄生電感為模型的降壓變換器中開關節點振鈴的差異。直接驅動配置有一個過衝量非常小的受控開關。然而，由於閘極迴圈中的初始COS、Qrr較高與較低的阻抗，串接驅動的振鈴和硬式開關損耗明顯更高。 整合閘極驅動器　GaN FET開關控制更順暢 以德州儀器(TI)旗下的LMG341X系列600V GaN裝置為例，該產品為首款整合GaN FET plus驅動器和保護特性的產品，並且是8mm×8mm的方形扁平無針腳(QFN)封裝多晶片模組(MCM)，包含一個GaN FET和一個使用整合20V串聯FET的驅動器，總RDSon為75mΩ。 圖4為此裝置的方塊圖。閘極驅動器提供了GaN FET直接驅動能力，並具有一個內建的降壓/升壓轉換器來產生關閉GaN FET時所需的負電壓。閘極驅動器採用單一12V電源供電，並擁有一個內部低壓差穩壓器(LDO)，可以用來生成為驅動器和其他控制電路供電的5V電源軌。內部欠壓鎖定(UVLO)電路保持安全FET關閉，直到輸入電壓高於9.5V。UVLO超過自身的臨界值時，降/升壓轉換器即打開並為負電源軌(VNEG)充電。一旦VNEG電源電壓超過其自身的UVLO，驅動器就會啟用。 圖4　單通道600V、76-ΩGaN FET電源極的方塊圖 與分離式GaN和驅動器相比，LMG341x系列的整合直接驅動裝置具有很多優勢。閘極驅動器的一大重要作用是在硬式開關事件期間對開關速度的控制。 另外該產品使用可程式化電流源來驅動GaN閘極。電流源提供阻抗來抑制閘極迴圈，並允許用戶以控制的方式將開關速度從30V/ns編程至100V/ns，以解決電路板寄生和電磁干擾問題。 藉由將串聯FET整合到驅動器的積體電路(IC)中，敏感FET和電流感測電路為GaN FET提供過電流保護。這一關鍵特性可以提升系統整體可靠性。這種電流感測方案在使用強化模式GaN裝置時是不適用的。當流過GaN FET的電流超過40A時，電流保護電路會跳脫。過電流事件發生後的60ns內，GaN FET會關閉，以防止晶片過熱。 藉由將驅動器晶片包裝在與GaN FET相同的晶片連接焊盤(DAP)上，驅動器晶片上的引線框架可以感測到GaN裝置的溫度。驅動器在過熱時可以透過停止GaN驅動來保護裝置。整合的GaN裝置也可以提供故障輸出，以通知控制器開關因為出現故障而停止。為了使用直接驅動方法來驗證操作，我們創建了一塊半橋式板，並將其配置為降壓轉換器；並使用ISO7831雙向位準偏移器來饋送高側驅動訊號，並恢復位準偏移故障訊號。 在圖5中，GaN半橋式配置從480V匯流排以1.5A的電壓以及100V/ns的開關速度切換。①表示開關節點波形，②表示感應器電流。硬式開關導通狀況較好，並有~50V過衝電壓。該波形使用1GHz示波器和探針測得，用來觀察是否存在任何高頻振鈴。快速地接通，加上截止電容的減少以及缺少反向恢復電荷，使得基於GaN的半橋式配置能夠高效地切換，甚至作為硬式開關轉換器。 圖5　降壓開關波形示例 總結來說，GaN在減少截止電容和無反向恢復方面提供的優勢開闢了在使用硬式開關拓撲結構的同時能保持高效率的可能。若要最大限度地發揮GaN帶來的優勢，則需要控制高開關速度，也因此需要一個最佳的組合封裝驅動器和精細的電路板布線技術。組合封裝驅動器有助於減少閘極迴圈寄生，以減小閘極振鈴。有了精細布線的印刷電路板(PCB)，最佳化的驅動器就可以讓設計人員控制開關事件的速度，並將振鈴和電磁干擾降到最低。這一效果是通過GaN裝置的直接驅動配置實現的，而非串接配置。 而LMG341x系列元件能夠讓設計人員以30V/ns到100V/ns的開關速度控制各種裝置的開關。此外，驅動器可以提供過電流、過熱和欠壓防護。 (本文作者皆任職於德州儀器)  

Si/SiC/GaN材料特性比較 目前，市場上絕大部分的功率元件從20V到數kV都是以矽的技術為基礎，當矽的技術到達其極限，材料性質就會限制住功率半導體元件的效率提升空間，金氧半場效電晶體(MOSFET)是最常見的功率半導體元件，其導通電阻受限於崩潰電壓，也就是磊晶層的特性，導通電阻的公式如公式1：                                 　公式1 簡化之後，就是「矽的極限」關係式                  ...

不過，這一成功也讓MOSFET和IGBT體會到因成功反而受其害的含義。隨著產品整體性能的改善，特別是大幅降低的導通電阻和切換損耗，這些半導體切換的應用範圍越來越廣，其導致市場對矽基MOSFET和IGBT的期望越來越高，且對性能的要求亦隨之提升。 儘管主要的半導體研發機構和廠商下大力氣滿足市場要求，並進一步改進MOSFET/IGBT產品，但在某些時候，收益遞減法則占主導。幾年來，儘管大幅度付出投入，但成效收穫甚微。技術和產品最終發展到一個付出與收穫不成正比的階段，並不罕見，這是在為新的顛覆性方法和新產品問世奠定基礎。 對於MOSFET元件，這個顛覆性技術創新週期是開發和掌握新基礎材料的結果。相較純矽的MOSFET，碳化矽(SiC)的MOSFET的性能更勝一籌。本文對比測試所用產品不是研發樣品或示範原型，而是採用商用的SiC的MOSFET。 電動/混動汽車發展與MOSFET密不可分 作為一個重要的快速發展的應用領域，電動汽車和混合動力汽車(EV/HEV)的發力展受益於MOSFET技術的進步，反過來又推到了MOSFET的研發製造。這些滿載電池的汽車不只是一個大型電池組連接數個牽引馬達那樣簡單(混動汽車另有一個小型汽油發動機為電池充電)，而是需要大量電子模組來驅動系統運作、管理設備，並執行特殊功能(圖1)。 圖1　電動汽車和混合動力汽車不只是一台大容量電池連接數台牽引馬達，還有許多小型電子子系統及電源，以及為大型電池組充放電和管理電池組的高功率子系統。 電動汽車和混合動汽車所用的功率切換轉換系統包括： ．輪轂馬達牽引逆變器(200kW/最高20kHz) 。 ．交流輸入車載充電器(20kW/50kHz-200kHz) 。 ．選配快速充電功能(50kW/50kHz-200kHz) 。 ．協助工具電源：中控台、電池管理控制、空調、資訊娛樂系統、GPS、連網(4kW/50~200kHz量級) 。 為什麼要注重效能？續航里程顯然是消費者選購電動汽車和混合動汽車的重要考慮因素之一。逆變器的性能提升幅度即便很小，也能導致消費者能夠看到的汽車基本性能指標明顯提升。但是，要求高效能的不止於這一個因素，還有多種其他因素： ．降低工作溫度，提升可靠性。 ．降低熱負荷，減少通過散熱器、散熱片、冷卻液和其他技術散發的熱能。 ．減少充電時間和基本用電量。 ．由於工作溫度較高的系統固定要求和限制，整體封裝需要具備更大的彈性。 ．更加輕鬆地符合法規要求。 SiC應對挑戰 幸運的是，SiC提供了一條通往更高效以及提升相關性能的途徑。在結構和性能上，SiC MOSFET與主流的純矽MOSFET有何不同？簡而言之，SiC MOSFET是在SiC n+襯底上加一個SiC n摻雜外延層(又稱漂移層)，如圖2所示。關鍵參數導通電阻RDS(ON)在很大程度上取決於源極/基極和漂移層之間的溝道電阻RDrift。 圖2　不同於純矽MOSFET，SiC MOSFET在n+型SiC襯底上面製作一個碳化矽外延(漂移)層，源極和閘極置於SiC漂移層頂部。 當RDrift值給定，結溫是25℃時，SiC電晶體裸片實際面積是矽超接面電晶體裸片面積的幾分之一，如果使兩個管子的晶片面積相同，那麼SiC電晶體的性能要高出很多。另一個比較SiC和矽的方法是用大家熟悉的品質因數(FOM)，即RDS(ON)×晶片面積(品質因數越低越好)。在1,200V阻斷電壓下，意法半導體的SiC MOSFET的FOM值很小，約為市面上最好之高壓矽MOSFET(900V超結管)的十分之一。相較牽引逆變器常用的矽基IGBT，SiC MOSFET主要有以下優點： ．切換損耗更低，在中小功率時，導通損耗更低。 ．沒有IGBT那樣的PN結電壓降。 ．SiC元件具有堅固、快速的本質二極體，無需外部二極體；該本質二極體的恢復電荷極小，幾乎可以忽略不計。 ．工作溫度更高(200℃)，進而降低了冷卻要求和散熱要求，同時提升了可靠性。 ．在效能相同的條件下，切換頻率是IGBT的4倍，由於被動元件和外部元件少，重量、大小和成本更低。 MOSFET須搭配適宜驅動器 經驗豐富的工程師知道，功率元件只是整個系統的眾多重要元件之一。要想使設計變得可靠、高效，並具成本效益，還需讓MOSFET選擇適合的驅動器。適合的驅動器是根據目標MOSFET及其負載特有的電流變化率、電壓值和時序限制而專門設計的驅動器。由於矽基MOSFET技術已經成熟，市面上有很多品牌的標準驅動器，確保驅動器/MOSFET組合能正常運作。 因此，人們不只關心SiC MOSFET驅動的難易程度，更關心驅動器在市面上是否販售，這是很正常的事情。令人興奮的是，驅動SiC MOSFET幾乎與驅動矽基MOSFET一樣容易，驅動一個80mΩ元件，只需要20V閘-源電壓、最大約2A的驅動電流。因此，在許多情況下都可以使用簡單標準的閘極驅動器。意法半導體和其他廠商開發出了針對SiC MOSFET優化的閘極驅動器，例如ST TD350。 在這款先進的閘極驅動器內，創新的主動米勒鉗位功能大多數應用中節省了負電壓閘極驅動，並讓使用簡單的自舉電源驅動高邊驅動器；電平和延遲可調節的兩級關斷功能可以預防關斷操作產生大量的過電壓，以防萬一發生過流或短路情況，兩級關斷功能中設定的延遲還可用於控制切換的開通操作，防止脈衝寬度失真。 SiC MOSFET已邁入量產階段 製程的進步有時並不能保證新技術一定會產業化和大規模應用，而SiC MOSFET卻是一個例外。目前，SiC MOSFET已經量產，並被混動汽車和電動汽車採用，在效能、性能和工作條件方面取得切實的成效，並傳導到電路級和系統級。 我們用混動汽車和電動汽車的80kW牽引馬達逆變器電源模組做了一個SiC MOSFET與矽IGBT的對比測試，結果顯示，在許多關鍵參數方面，650V SiC MOSFET遠勝矽IGBT。這個三相逆變器模組採用雙極性PWM控制拓撲，具有同步整流模式。兩種元件都是按照結溫小於絕對最大額定結溫80%確定元件尺寸。矽IGBT方案使用4個並聯的650V/200A IGBT和額定值相同的相關續流矽二極體；基於SiC MOSFET的方案設計採用7個並聯的650V/100A...

然而，主要透過低溫添加劑加工技術製造的撓性混合電子元件的出現，使塑膠封裝材料必須有更大的柔韌性和伸長率，且在200℃以上或最好是在150℃以上的溫度時，不需要太長的固化時間。 認識塑膠基本種類　熱塑性與可固化 聚合物材料可分為兩大類，熱塑性塑膠和可固化塑膠，它們具有非常不同的分子結構。熱塑性聚合物材料主要由長的、無分支鏈的分子鏈組成，這些分子鏈盤繞且實際上糾結在一起，但在分子鏈之間沒有永久的化學鍵聯，即交聯。因此，熱塑性塑膠可以逆轉軟化，方法是將其加熱到一個溫度，在該溫度下，鏈內有足夠的鏈段運動，使其能在剪切力的作用下流動。此行為是便捷的熱成型過程的基礎，例如熱熔擠出和射出成型。 無交聯結構和典型高聚合物分子量的熱塑性塑膠可帶來許多所需要的性質，例如良好的機械強度、延展性、伸長率和韌性。另一方面，黏性聚合物鏈可能不容易與接觸表面相容，故當熱塑性塑膠塗覆或黏合到另一種材料上時，會導致較差的黏合性。同時，缺少交聯會使塑膠容易受到有機加工溶劑的侵蝕，例如當溶液在熱塑性基材上塗覆形成另一個塗層時。同樣地，熱塑性塑膠的可逆軟化特性，可能不利於高溫製程。 第二類主要的聚合物材料是可固化塑膠，是用於半導體封裝的主要形式。這些材料通常以低分子量樹脂的形式施加和加工，當以≧200℃加熱固化時，其會反應而形成多分支的超高分子量網路。緊密交聯的結構導致高勁度和剛性，以及強健的熱穩定性。可固化塑膠因其對其他材料的出色黏合性而聞名，環氧樹脂就是一個有力的證明。但一如預期的是，大多數的可固化塑膠展現出極低的伸長率、可能很脆而且在重複的熱循環下容易開裂，使其不太適合撓性電子元件應用。 光固化熱塑性塑膠　兼具熱塑性/可固化所長 若有一種新的聚合物材料，其結合了所需要的熱塑性塑膠和可固化塑膠特性，以更好地實現撓性混合電路的生產。在此概念中，聚合物材料像熱塑性塑膠一樣提供高強度、伸長率和韌性，且能像可固化塑膠一樣提供高化學耐受性和熱流耐受性。更具體地說，新的光固化熱塑性塑膠(PCT)，其可在塗覆和成型後曝露於紫外線(UV)下形成交聯。 針對新PCT材料的整體設計目標，包含：高聚合物分子量具有適度的後固化交聯密度，以保持良好的機械強度、可撓性和韌性；本身具有光敏性，無需光酸產生劑、光引發劑、增效劑、交聯劑等添加劑；使用適合晶圓廠的溶劑成分，進行塗覆和澆膜；對半導體材料和其他塑膠有很強的黏著力；在光固化之前，能夠在200℃以下進行熱成型(模塑、壓印、擠出等)；在300℃以上時保持熱穩定性；高脈衝UV雷射敏感度，便於快速、乾淨的雷射鑽孔。 可在施加和最終成型後對熱塑性材料進行光固化的能力，讓使用者能在固化前先利用其可逆轉的軟化特性，再經由固化將材料轉化為抗流狀態。與熱固化相反，使用光固化的能力可避免因同時發生的熱誘發軟化和交聯之間的競爭，而造成狹小的加工範圍。 了解光固化熱塑性材料與性質 三種新的光固化熱塑性塑膠組合物實例，可證明其獨特的化學、機械、熱和加工性質組合。新的聚合物組合物在此稱為PCT 1、PCT 2和PCT 3。其玻璃化轉變溫度(Tg)和分子量(MW)特徵列於表1中。透過固體聚合物樣品的差示掃描量熱分析法測定Tg值，同時借助凝膠滲透色譜法(相對於聚苯乙烯標準)測定所製備聚合物溶液的分子量性質。 PCT材料的熱穩定性 組合物PCT 1的梯度熱重量分析(TGA)掃描圖，如圖1所示。該材料顯示出優異的穩定性，直到超過360℃才發生重量損失。組合物PCT 2表現相似，展現出348℃的瞬間分解溫度。 圖1　組合物PCT 1在氮氣下速度為10℃/分時的梯度TGA掃描圖像 PCT材料光固化前後的機械性質 處於預固化狀態的PCT聚合物是真正的熱塑性塑膠，且具有良好的可撓性和強度。表2所示的組合物PCT 1和PCT 2薄膜的機械性質資料，顯示其在室溫下為玻璃狀且中等硬度的材料。但其具有撓性，且可以反覆彎曲而不會破斷(其所示為在降伏點而非破斷點時的拉伸應力值，推測在破斷點時的拉伸應力即抗拉強度會更高)。分別藉由動態機械分析(DMA)和熱機械分析(TMA)決定機械性質和熱膨脹係數(CTE)。 標題 透過光固化將化學交聯引入PCT膜有利於提高化學耐受性和減少熱流。但其不會引起脆化，而是會在猛烈彎曲時提高韌性和抗裂性。組合物PCT 1的薄膜仍非常柔韌，且在650瓦(W)的實驗室UV燈下光固化5分鐘後仍可皺褶和折疊。 PCT材料的黏著性質 PCT聚合物顯示出對許多材料(包括其他聚合物)的黏著性。例如，將組合物PCT 1的溶液旋轉塗佈在矽和玻璃晶片上，再置於高溫板上以120℃烘烤10分鐘，隨後在烘箱中以130℃烘烤30分鐘，去除溶劑並留下乾燥的薄膜。接著，使用最高黏著強度的3M測試帶，對有刻痕的薄膜進行標準交叉陰影帶拉伸測試。圖2中的測試基材圖像，基材都沒有像素特徵消除的情況，表示PCT材料對矽和玻璃具有優異的黏著性。 圖2　組合物PCT 1塗覆在矽和玻璃基材上的交叉影線膠帶拉伸測試結果 光固化對PCT材料溶劑溶解度和流動性的影響 由於聚合物結構內的光誘發交聯，曝露於中UV下會大幅改變新PCT材料的溶解度和熔融流動性質。圖3a顯示用650瓦實驗室UV燈照射5分鐘之前和之後，組合物PCT 2薄膜樣品的圖像。UV照射引起明顯的薄膜顏色變化。但於此同時，其變得完全不受二甲基亞(DMSO)(一種強力聚合物溶劑)的侵蝕，而未固化(未照射)薄膜的樣品在置於相同溶劑中後不到1分鐘內溶解。在圖3b中的兩個樣品小瓶圖像可清楚地辨別溶解度的根本變化。後續研究顯示，只需30秒的UV燈照射，即可觀察到類似的溶解度變化。 圖3a　(左)照射前後組合物PCT 2的薄膜外觀；圖3b(右)在DMSO中浸漬20分鐘後照射和未照射的薄膜材料。 光固化亦大幅改變了PCT材料的熱軟化性能。圖4中的圖像顯示以100℃加熱30分鐘後，第三種組合物PCT 3照射和未照射膜帶的行為。組合物PCT 3具有接近室溫的Tg，且具有非常高的彈性和伸長率，是柔軟的材料。當一條膜帶曝露在實驗室UV燈下幾分鐘後，將其折疊使膜帶末端與膜帶的中心部分接觸後再加熱時，接觸的區域不會流動且會黏合在一起，因其為透過曝光過程交聯。另一方面，未曝光膜帶的接觸區域容易流動並黏合在一起，基本上變成固體狀態。 圖4　以100℃加熱30分鐘後，組合物PCT 3 UV照射和未照射膜帶的外觀。 PCT材料壓印 為證明PCT材料可以在200℃以下熱成型，將已旋轉塗布到200毫米(mm)晶片上厚度5.8微米(μm)的未固化組合物PCT 2薄膜壓到在第二個矽晶片上形成的聚矽氧烷壓模上，產生壓紋。壓製步驟以標準晶片接合工具(EVGroup Model 510)進行，晶片在4000N的作用力下加熱至170℃，持續5分鐘(壓力=~18.5psi)。再將組件冷卻至室溫，並以機械方式將壓模從壓印薄膜上剝離。PCT薄膜中壓印特徵的顯微圖，如圖5所示。 圖5　在170℃下在薄膜組合物PCT 2壓印圓圈和線條特徵的顯微圖像。顯微照片中的數字為特徵尺寸，以微米為單位。 假設對壓紋進行光固化可使其穩定，而不會在加熱至高溫時回流。將一個壓印的晶片基材遮蓋一半，一面以實驗室UV燈照射5分鐘，而另一面未照射。當將晶片加熱至180℃並持續5分鐘後，光固化側的特徵完整保存，而未固化側的特徵有流動且變得不明顯，如圖6a和圖6b中的對比顯微照片所示。 圖6　(a)光固化後加熱至180℃的壓印特徵的顯微照片；(b)相同的壓印特徵，但在加熱前未進行光固化。 PCT材料的光學性質 新的PCT材料設計上本身即有對中度UV的感光性。亦即光固化涉及功能部位(Functional Moieties)在聚合物結構內的直接反應，且不須要添加任何類型的光引發劑或增效劑，例如自由基固化的丙烯酸樹脂或陽離子固化的環氧塗料。這些相同的功能部位具有非常強的UV吸收力，表3所示組合物PCT 1中度UV波長的高光學消光係數(k)即為明證(k值為0.1的材料通常即視為具有高吸收力)。透過塗覆在矽晶片上聚合物薄膜的可變角度掃描橢圓偏光術，測定表3中的折射率和消光係數值。 PCT材料的雷射蝕刻 PCT材料在光譜上中紫外光段的強吸光度，使其對通常在308~355奈米(nm)波長下工作的脈衝雷射蝕刻系統非常敏感。藉由使用以355奈米操作的定製皮秒脈衝雷射系統，利用雷射光技術(Herman,...

48V解決12V系統的局限性 新結構由兩個獨立的分支組成。傳統的12V匯流排採用鉛酸電池來滿足車載娛樂系統、照明與車窗等常規負載；而新的48V系統可以支援更繁重的負載，如：起動機發電機組、空調壓縮機、主動底盤系統、電動增壓器、渦輪增壓器和回饋制動。 如圖1所示，雙向電源供應將12V系統和48V系統橋接起來。不僅減輕汽車的重量，同時也提高了燃料效率，減少二氧化碳排放。48V系統可減輕線束(Wiring Harness)的重量。電壓越高，線規越小，這樣可以在不犧牲性能的情況下縮小電線尺寸和重量；如今高級車輛的接線長度可達4公里以上。 圖1　12V/48V雙向電源供應系統 與傳統的12V電池相同，48V鋰離子電池或超級電容器與雙向DC/DC轉換器能提供高達10kW的可用功率使雙電池系統更加完善。雙向電力傳輸需要在電池放電時給電池充電，並且在超載情況下為相反的電壓軌提供額外的電力。本文將討論12V/48V系統的要求，以及使用創新平均電流模式控制方案。該降壓/升壓控制器實現雙向能量轉換的所有控制電路，使系統明顯比傳統的離散式方案更為簡化。 LV 148標準規範 48V電池汽車系統的LV 148標準規定48V電源軌上的最大電壓必須達到70V且至少保持40ms。此外，在這種過載電壓情形中，系統必須保持正常運作，且不會產生任何性能損失。對於半導體供應商而言，這意味著連接到48V電源軌的所有電源都必須承受70V輸入電壓。然而汽車業者認為安全係數應該達到10%或更高；為了滿足這個期望，未受保護的48V電源軌上零組件的額定電壓應為100V。 對於從48V電源軌到12V電源軌的電力傳輸，可使用降壓轉換器；12V至48V的電源傳輸則可使用升壓轉換器。降壓和升壓拓撲結構在功率電子領域是眾所周知的，但設計兩個獨立的轉換器將占用電路板空間，並增加系統複雜性和成本。 設計工程師通常使用數位控制方案管理12V和48V雙電池系統，該方案包括多個分立元件，如電流檢測放大器、閘極驅動器和保護電路。德州儀器(TI)提供混合式架構，其中微控制器(MCU)處理更進階的智慧管理，而整合類比控制器(如LM5170-Q1)提供電源轉換功能。LM5170-Q1還可以在純類比功能中運用，並將MCU從迴路中移除。 LM5170-Q1可在雙48V和12V汽車電池系統之間高效傳輸每相500W以上的電力，並提供整合的電流檢測放大器和高電流閘極驅動器。系統保護功能包括整合斷路器和獨立的相電流監控，可避免使用額外的分立元件。並聯堆疊多個控制器可以提供千瓦的功率(圖2)，48V匯流排可為驅動各種系統提供10kW的功率。 圖2　LM5170的電流控制迴路 平均電流模式控制方案在由方向輸入回應(DIR)，訊號指定的方向上調節在高壓埠和低壓埠之間流動的平均電流。將DIR設置為「1」時，電源從48V埠流向12V埠。將DIR設置為「0」時，電源從12V埠流向48V埠。DIR指令(DIR command)定義如何在降壓或升壓模式下控制Q1和Q2。 傳統的平均電流模式控制方案存在兩個挑戰：電流迴路傳遞功能隨工作電壓和電流條件而變異，且雙向操作需要兩個不同的迴路補償。在TI的LM5170-Q1中，雙向操作的傳輸功能相同。由於TI解決方案保持固定迴路增益，因此它允許單個電阻-電容(RC)網補償降壓和升壓轉換。 LM5170-Q1控制方案的優點，包括以下幾點： 高準確度：控制器的1%精確雙向電流調節確保精確的電力傳輸。 功率效率：LM5170-Q1能實現高於97%的系統效率。 高精密度：控制器具備99%的準確度監控電流。 高功率：整合的5A峰值半橋式閘極驅動器提供高功率能力。 卓越的性能：同步整流器金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的二極體模擬模式可防止負電流並提高輕負載效率。 汽車品質：LM5170-Q1獲汽車電子委員會(AEC)-Q100認證。表1列出了48V系統中需要考量的功能。 如圖3所示，簡化的應用電路展現LM5170-Q1的整合特性。 圖3　簡化的應用電路 在LM5170-Q1控制器上，類比訊號或數位脈衝寬度調變(PWM)輸入規劃了電流調節層級。雙通道差分電流檢測放大器和專用通道電流監視器達成典型的1%精確度。5A半橋式閘極驅動器能夠驅動並聯MOSFET開關，提供每相500W或更高的功率。同步整流器的二極體模擬模式能防止負電流並提高輕負載期間的非連續模式操作的效率。保護功能的特色包括逐週期電流限制，高壓和低壓埠的過壓保護，MOSFET故障檢測和過熱保護。 功率層級與控制電路 48V-12V雙向轉換器操作的平均電流模式控制方案具有以下功率級： ．高側FET(Q1) ．低側FET(Q2) ．功率電感器(LM) ．電流檢測電阻(RCS) ．兩節電池：一節在高壓埠，一節在低壓埠。 控制電路包括： ．透過DIR指令(0或1)進行方向轉向且增益為50的電流檢測放大器。 ．用作電流迴路誤差放大器的跨導放大器(Transconductance Amplifier)，在非反相針腳上施加參考訊號(ISET)以設置相位直流電流調節值。 ．PWM比較器。 ．與高壓埠電壓成比例的斜坡訊號。 ．由DIR控制的轉向電路應用PWM訊號控制Q1或Q2作為主開關。 ．COMP節點處的迴路補償網路。 48V-12V雙向轉換器通常必須具有高精確度的電流調節(優於3%)，以精密地控制從一個電池軌向另一個電池軌傳輸的電量。由於高功率，系統通常需要交錯並聯多相電路來共用總負載，且共用應在各個相位之間保持均衡。由於不能實現多相共用，所以電壓控制模式拓撲並不合適。 LM5170-Q1藉由同步多個控制器實現更多相位，並達成多相並聯運行。每個相位與相移時鐘同步。使用多相架構可減少零組件的物理尺寸，並使得熱管理更加容易。為了並聯每個功率相，在降壓或升壓模式操作中的控制方案是電流模式控制。多相操作還可使得每相交錯切換，以減少輸出波紋，以降低電磁干擾(EMI)。 最後，在使用兩節電池的情況下，在維護期間可拆卸一個或兩個汽車電池並重新連接。在重新連接期間，可能將電線連接到錯誤的電池接線頭，並損壞ECU中的元件。為避免這種類型的損壞需要反極性的保護。由於功率損耗高，無法使用蕭特基二極體。相反，LM5060-1-Q1高側斷路器控制器和n通道MOSFET降低了功耗。當與電源串聯時，LM5050-Q1與外部MOSFET一起作為二極體整流器工作。可以連接5V至75V的電源供應，並可承受高達100V的瞬態電壓。 滿足未來汽車電氣系統需求 LM5170 48V-12V雙向轉換器評估模組(EVM)旨在展示LM5170-Q1控制器。可以藉由外部指令訊號或板載跳線(Onboard Jumper)控制電流的方向。透過板載介面接頭，可以使用數位訊號處理器(DSP)、現場可編程陣列(FPGA)、MCU或其他數位控制器來操作EVM。 此外，12V/48V汽車系統的雙向DC/DC轉換器參考設計滿足12V/48V汽車系統的典型工作電壓要求。該系統使用兩個LM5170-Q1電流控制器和一個MCU進行功率級控制，為系統提供電壓回饋。TI的12V/48V解決方案採用創新的平均電流控制方案提供電流控制，消除了額外的相電流平衡電路。LM5170-Q1具備高度整合程度，可減少印刷電路板面積，簡化設計並加速開發。 (本文作者為德州儀器汽車動力系統系統工程師)