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憑藉高切換/低損耗特性 SiC有效降低EV供電成本

在 xEV傳動系統中,碳化矽(SiC)電路有助於實現更小的晶片尺寸,同時具備相同效能資料,提供降低切換損耗及提升切換頻率等各種優點。與先前的系統相比,對應封裝技術可實現更有效率且更為輕巧的電源模組,以及獨立解決方案。受益於SiC晶片和最佳化電源模組的一般應用,包括主變頻器、車載充電電子裝置、升壓器和DC-DC轉換器(圖1)。 圖1 xEV應用中半導體平均比例(取決於電氣化程度) SiC元件已上市約二十年,但因為成本及部分品質緣故,在車輛中的使用受到限制。到目前為止,SiC晶圓尺寸通常比矽小很多。高品質6英寸SiC晶圓上市供應後,提升了製造SiC晶片的產能(圖2)。 SiC元件最初是由小規模的專業公司主導,不過目前頂尖半導體公司於標準設備加工SiC元件,具備高輸出及高可靠性,因此SiC的成本發展大有可為。最新一代的SiC溝槽MOSFET,在閘極氧化物可靠性方面也有所進展,使其成為汽車應用的理想選擇。 圖2 更大的晶圓和強化製程可降低成本,並提升SiC晶片可靠性。 碳化矽具備高切換/低損耗特性 相較於傳統的矽基高電壓IGBT或MOSFET(> 600V),SiC MOSFET具有多種優勢。例如英飛凌1200V SiC MOSFET(CoolSiC)的閘極電荷及電容值比IGBT更低,並具備最低的本體二極體逆復原損耗。這讓切換損耗遠低於矽,並且不受溫度影響(圖3)。此外,MOSFET具有類似電阻的輸出特性,IGBT則類似於二極體。無臨界值導通特性可降低局部負載範圍的洩漏損耗。 圖3 比較CoolSiC MOSFET與矽IGBT之間的切換損耗 以上基本優勢不僅使SiC MOSFET成為高頻運作的理想選擇(例如車載充電電路和DC-DC轉換器),也適用切換頻率一般低於20kHz的變頻器應用。其中效率主要是由低負載作業決定。例如使用SiC MOSFET可在低或中負載情況下,降低最高2/3的變頻器損耗。 SiC MOSFET可實現體積極為精巧的高效變頻器。在相同條件下,SiC MOSFET的晶片面積遠小於IGBT型變頻器。由於減少晶片損耗,因此提升了各種駕駛情境的效率,特別是具有許多加速階段的城市交通。 就變頻器效率而言,必須考慮能量基本上以兩個方向流動,產生扭矩期間從電池到車輪,能量復原(回收)期間則從車輪返回電池。因此變頻器效率對電池供電電動車(BEV)非常重要,因為這會直接影響行駛範圍,或可使用較小電池提供相同行駛範圍。由於電池是重要的成本因素,電池電芯減少5%至10%,可讓電池電力超過40kWh的系統大幅降低800美元以上成本。 矽支援的崩潰場強度低於SiC。因此標準1200V IGBT損耗明顯高於600V類別的同類產品。另一方面,1200V SiC MOSFET可在850V範圍內,以更高的電池電壓提供非常高效的運作。因此SiC也非常適合用於快速充電應用的架構。就目前正在開發的基礎設施而言,80kWh電池可在15分鐘內充電至80%。這是實作電動車和確保客戶滿意度的重要層面。 選擇適應封裝提升電源模組效能 為充分利用SiC晶片效能,還需要對應的最佳化封裝技術用於電源模組。SiC有助於提高能源效率,不過這不僅需要更出色的封裝材料,也須要考慮較小晶片熱阻更高的問題。較小晶片也會導致提升電流密度,熱機械變形風險也較高。 為了充分利用SiC MOSFET效能,須要採用最低洩漏電感的封裝,因此需要創新的封裝概念用於電源模組,像是HybridPACK Drive系列模組,以及雙面冷卻的封裝概念(例如HybridPACK DSC模組)。這樣就可以開發電源密度非常高的變頻器設計。 開發電動車及油電混合車使用的HybridPACK Drive(HPDrive)電源模組時,必須結合各項技術和應用相關要求。其中包括各種不同要素,例如最佳化成本、高效率、功率密度,啟動扭矩的載流能力,以及受熱循環影響的使用壽命。 目前已經顯示完全整合的開發方法,如何讓電源模組的所有個別元件以這種方式設計,以滿足應用要求達到最佳效果。晶片的額定電壓提升,模組電感降低,因此可在更高的工作電壓和切換邊緣運作。更高的溫度負載能力、更出色的晶片接合技術,以及損耗更低的材料,可提升載流能力,進而提高驅動馬達的啟動扭矩。總而言之,較小的模組尺寸、縮減晶片面積、降低損耗,以及使用最新量產技術,有助於降低系統成本。 採用壓接端子及最新汽車用IGBT技術(EDT2)的HybridPACK Drive模組,比HybridPACK2系列同類產品小約20%,並具有相同效能。HybridPACK Drive產品系列屬於可擴充平台,具有各種電源連接、IGBT和MOSFET技術及熱堆疊選項。本系列產品從一開始就採用模組化設計,從端子接頭就開始秉持模組化概念,有助於以快速焊接程序或螺栓接頭用於纜線連接。此外也提供「長接頭」版本,用於實作相位電流感測器。 此一模組的設計原則,是盡可能減少變頻器製造商的開發工作量(視應用而定)。因此更換基板或熱堆疊可減少或增加輸出功率,毋須變更矽零件。目前有各種基板(扁平,直接冷卻和針狀鰭片)及陶瓷基材可供選擇。 不過若採取保留電子裝置(驅動器板和直流連結電容器)及變頻器設計,但調整冷卻結構的作法,也可以擴充效能。例如以FS820R08A6P2模組(採用750V IGBT、針狀鰭片結構和標準陶瓷)作為100%參考,就可以產生可調整頻寬,提供70%至120%的效能(圖4)。 圖4 HybridPACK Drive電源模組採用模組化設計,可輕鬆擴充。 對更高功率而言,HybridPACK Drive也可以使用1200V技術。首先是1200V...
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AI應用水漲船高 FPGA邊緣運算完美達陣

然而AI應用種類各異,各有千秋。不同的應用領域要求的AI技術也不盡相同。目前最受關注的應用類別當屬嵌入式視覺。這一領域的AI使用所謂的卷積神經網路(CNN),試圖類比人眼的運作方式。在本文中,將探討電腦視覺(Computer Vision)應用與其他許多相關概念。 網路終端AI的要求 AI涉及創造一個工作流程的訓練模型,然後該模型在某個應用中對現實世界的情況進行推理。因此,AI應用有兩個主要的階段:訓練和推理。 訓練是在開發過程中完成的,通常在雲端進行。推理作為一項持續進行的活動,則是透過部署的設備完成。因為推理涉及的運算問題相對複雜,目前大部分都是在雲端進行,但是做決策的時間通常都十分有限。向雲端傳輸資料然後等待雲端做出決策非常耗時,等到做出決策,可能為時已晚,而在終端做決策則能節省寶貴的幾秒鐘時間。 這種即時控制的需求適用於需要快速做出決策的諸多領域。例如人員偵測相關應用,包括:智慧家庭電器、智慧音訊/影視消費性電子產品、智慧門鈴、自動販賣機、安全攝影機、智慧門等。其他即時線上的應用包括:智慧音箱、零售店攝影機、無人機、收費站攝影機、機器視覺、汽車後裝市場攝影機等。 在快速決策需求的推動下,目前將推理過程從雲端轉移到「網路終端」的訴求非常強烈,即在設備上收集資料然後根據AI決策採取行動。這將解決雲端不可避免的延遲問題。在地化推理還有兩個好處:第一個就是隱私安全。資料從雲端來回傳輸以及儲存在雲端,容易被入侵和盜取。但如果資料從未到達設備以外的地方,出現問題的機率就小得多。 另一個好處與網路頻寬有關。將視訊傳送到雲端進行即時處理會占用大量的頻寬。而在地做決策則能省下這部分頻寬,並將其用於其他要求較高的任務。此外,這類設備通常都是使用電池供電,如果是電源直接供電,兩者都有散熱限制,而對設備的持續使用造成限制。而與雲端通訊的設備則需要管理自身功耗的散熱問題。AI模型演化速度極快。在訓練始末,模型的大小會有極大差異,並且在進入開發階段以前,可能無法有效估算所需運算平台的大小。此外,訓練過程發生的細微改變都會對整個模型造成重大影響,增加了變數,這些也使得網路終端設備硬體大小的估計變得極為困難。 在為特定設備優化模型的過程中,始終伴隨著權衡。這意味著模型在不同的設備中可能以不同的方式運行。最後,網路終端中的設備通常非常小,也限制了AI推理設備的大小。 由此總結出以下關於網路終端推理的幾點重點要求: 用於網路終端AI推理的引擎必須: .功耗低 .靈活 .可擴展 .尺寸小 已有廠商開發出完全具備以上四個特徵的推理引擎。包含硬體平台、軟體IP、神經網路編譯器、開發模組和開發資源,能夠迅速開發理想中的設計。 推理引擎的選擇 將推理引擎構建到網路終端設備中涉及兩個方面:開發承載模型運行的硬體平台以及開發模型本身。理論上來說,模型可以在許多不同的架構上運行。但若要在網路終端,尤其是在即時線上的應用中運行模型,選擇就變少了,因為要考慮到之前提到的功耗、靈活性和擴充性等要求。 設計AI模型的最常見做法就是使用處理器,可能是GPU或者DSP,也有可能是微控制器。但是網路終端設備上的處理器可能就連實現簡單的模型也無法處理。這樣的設備可能只有低階的微控制器(MCU)。而使用較大的處理器可能會違反設備的功耗和成本要求,因此對於此類設備而言,AI似乎難以實現。 這正是低功耗FPGA發揮作用的地方。與強化處理器來處理演算法的方式不同,低功耗FPGA可以作為MCU的副處理器(圖1),處理MCU無法解決的複雜任務之餘,將功耗保持在要求範圍內。由於低功耗FPGA能夠進行DSP運算,並能提供低階MCU不具備的運算能力。 圖1 FPGA作為MCU的副處理器 ASICs和特定應用標準產品(ASSP)對於更為成熟、大批量銷售的AI模型而言,採用ASIC或ASSP或許是可行之道。但是由於工作負載較大,這些元件在即時線上應用中的功耗太大。在此情況下,低功耗FPGA可以充當副處理器(圖2),處理包括喚醒關鍵字的喚醒程序或粗略識別某些影片圖像(如識別與人形相似的物體),然後才喚醒ASIC或ASSP,識別更多語音或者確定影像中的目標確實是一個人(或甚至可以識別特定的人)。FPGA處理即時線上的部分,這部分的功耗至關重要。然而並非所有的FPGA都能勝任這一角色,因為絕大多數FPGA功耗仍然太高。 圖2 FPGA作為ASIC/ASSP的副處理器 低功耗FPGA可以作為單獨運行的、完整的AI引擎(圖3),FPGA中的DSP在這裡起了關鍵作用。即便網路終端設備沒有其他的運算資源,也可以在不超出功耗、成本或電路板尺寸預算的情況下添加AI功能。此外它們還擁有支援快速演進演算法所需的靈活性和可擴充性。 圖3 單獨使用FPGA的整合解決方案 低功耗FPGA構建推理引擎 設計AI推理模型的硬體需要不斷平衡所需資源數量與效能和功率要求,萊迪思的ECP5和UltraPlus產品系列能實現這類要求。ECP5系列有三種不同規格的元件,能夠運行一到八個推理引擎。其整合的的嵌入式記憶體從1Mb到3.7Mb不等。功耗最高僅為1W,尺寸也只有100mm2。相較之下,UltraPlus系列的功耗水準約為ECP5系列的千分之一,僅為1mW。占用的電路板面積為5.5mm2,包括最多八個乘法器和最多1Mb的嵌入式記憶體。 萊迪思還提供可在這些元件上運行的CNN IP以及可用於ECP5系列的CNN加速器(圖4),與可用於UltraPlus系列的輕量化CNN加速器(圖5)。 圖4 適用於ECP5系列的CNN加速器 圖5 適用於UltraPlus系列的輕量化CNN加速器 最後,還可以在開發模組(圖6)上運行並測試這些演示,兩個模組分別對應這兩種產品系列。Himax HM01B0 UPduino Shield採用了一片UltraPlus FPGA,尺寸為22×50mm2。嵌入式視覺開發套件採用了一片ECP5 FPGA,尺寸為80×80mm2。有了FPGA、軟IP和其他處理資料所需的硬體部分,就可以使用設計工具進行編譯,而生成位流,在每次上電後對目標設備中的FPGA進行配置。3 圖6 評估AI應用的開發模組 在FPGA上構建推理模型 創建推理模型與創建底層運行平台大不相同。它更抽象,涉及更多運算,且不涉及RTL設計。這一過程主要有兩個步驟:創建抽象模型,然後根據所選平台優化模型的實現。模型訓練在專門為此過程設計的框架(圖7)中進行。最流行的兩個框架是Caffe和TensorFlow,但不限於此。 圖7 可以對單個模型進行優化以適用於不同的設備 CNN由很多層構成—卷積層,還有池化層和全連接層,每一層都有由前一層的結果饋送的節點。每個結果都在每個節點處加權重,權重多少則由訓練過程決定。訓練框架輸出的權重通常是浮點數。這是權重最為精確的體現,然而大多數網路終端設備不具備浮點運算功能。這時需要針對特定平台對抽象模型進行優化,這項工作由神經網路編譯器負責。編譯器可以實現載入和查看從某個CNN框架下載的原始模型。可以運行效能分析,這對模型優化最關鍵的量化工作至關重要。 由於無法處理浮點數,因此需要將它們轉換為整數。對浮點數四捨五入也就意味著精度會降低。問題是,什麼樣的整數精度才能滿足想要的精度?通常使用的最高精度為16位元,但是權重和輸入可以表示為較小的整數。1位元的設計實際是在一位整數域中進行訓練以保持精度。顯然,更小的資料單元意味著效能更高、硬體尺寸更小以及功耗更低。但是,精度太低就無法準確地推斷視野中的物體。 神經網路編譯器能創建代表模型的指令流,然後可以類比或直接測試這些指令,而判斷在效能、功耗和精度之間是否達到了適度的平衡。測試的標準通常是看一組測試圖像(與訓練圖像不同)中正確處理的圖像百分比。通常可以透過優化模型來優化運行,包括去掉一些節點以減少資源消耗,然後重新訓練模型。這一設計環節可以微調精度,同時保證能在有限的資源下順利運行。 人臉辨識與人員偵測 在以下兩個不同的視覺案例中,將看到權衡是如何發揮作用的。第一個應用是人臉辨識;第二個是人員偵測。將指出不同FPGA之間存在的資源差異如何影響到相對應的應用效能和功耗。兩個示例的輸入都源自同一個攝影機,兩者都在相同的底層引擎架構中運行。在UltraPlus設計實例中(圖8),圖像的尺寸縮小後通過八個乘法器進行處理,利用了內部記億體並使用了LED指示燈。 圖8 UltraPlus平台用於人臉辨識和人員偵測應用 ECP5系列資源更多,提供了一個計算能力更強的平台(圖9)。攝影機捕捉的圖像在發送到CNN之前在圖像訊號處理器(ISP)中進行預處理。處理結果與原始圖像在標記引擎上比對,而將文本或注釋覆蓋在原始圖像上。並可以使用一系列圖表來衡量兩種應用的效能、功耗和占用面積情況。對於每個應用,兩組示例分別表示:一組輸入較少,一組輸入較多。圖10表示了人臉辨識應用的結果,兩組分別採用了32×32輸入和90×90輸入的情況。 圖9 ECP5平台用於人臉辨識和人員偵測應用 圖10 在UltraPlus和ECP5 FPGA上實現簡單和複雜的人臉辨識應用時的效能、功耗和占用面積。 左側的軸代表處理一張圖片需要的週期數量以及這些週期的分配情況。右側的軸代表在各元件(黑線)上實現的每秒幀數(fps)。最後,每種情況下還標注了功耗和占用面積。左側的32×32輸入示例中,最下方部分代表卷積層上運行的週期。在四個示例中,UltraPlus的乘法器數量最少;其他三片ECP5 FPGA的乘法器數量依次遞增。隨著乘法器數量的增加,卷積層所需的週期數減少。 90×90輸入的示例位於右側,得到的結果完全不同。在每個直條圖的底部有大面積的區域。這是由於設計更為複雜,使用了除元件內部儲存空間以外的更多記憶體。由於需要占用外部DRAM,效能就有所損失。需要注意的是,這種設計無法使用較小的UltraPlus元件。人員偵測應用的情況類似。兩組分別採用了64×64輸入和128×128輸入的情況(圖11)。 圖11 在UltraPlus和ECP5 FPGA上實現簡單和複雜的人員偵測應用時的效能、功耗和占用面積 同樣,較多的乘法器會減少卷積層的負擔,而依賴DRAM則會影響效能。表1總結了各類情形下的效能。它包括了對圖像中最小可識別物件或特徵的度量,用視野範圍的百分比表示。在這裡使用更多輸入能夠為較小的目標提供更多解析度。 低功耗FPGA可實現要求低功耗、具有靈活性和可擴充性的網路終端AI推理設計。並提供成功部署AI演算法所需的關鍵要素,包括:神經網路編譯器、神經引擎軟IP、Diamond設計軟體、開發板與參考設計等。
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簡化聯接至關重要 Sigfox突破IoT應用技術障礙

在工業和消費應用中,感知、處理、驅動和聯接這些關鍵模組對於IoT的設計至關重要。如果為每個模組提供模組化的、隨插即用的方案,可以顯著地加快和簡化新的設計,用於如智慧家庭/智慧建築、健康和資產追蹤等應用,不一而足。模組化的方案包括制式的開發工具,並在必要時預先通過任何相關國際監管標準和協議要求的認證尤為重要。 Sigfox幫助聯接 挑戰IoT普及 聯接是最具挑戰性的領域之一,視每一應用的特定性質而定,許多協議或多或少都是相關的。Sigfox具備內建基礎設施(Built-in Infrastructure)和遠端聯接(Long-range Connectivity),已成為最有用的協定之一。然而,對於許多潛在的IoT方案設計人員,Sigfox是個新的技術領域,因此,易於採用是IoT普及的關鍵。 共有超過310億的設備聯接到IoT。這些設備為世界各地的消費者和商業用戶帶來了巨大的變化。在家裡,自動照明控制節省能源和提供安全,而遠端門鈴支援用戶從地球上的任何地方「回家」。 在企業中,可以監控工廠或其他設施的每一個細節;這些資料將前所未有地提高營運效率。經營偏遠地區設備的企業可以從舒適的辦公室監控工作,進而減少定期視察的費用。隨著資料分析、即時監控、預測維護和其他高價值主張的加強,正在實現IoT的總體效益。 尺寸精巧度再提升 然而,要使這些IoT設備具有如此方便和利於攜帶的特性,如它們的小尺寸、互聯功能和遠端運用能力,也給設計人員帶來了巨大的挑戰。 雖然這些設備物理尺寸小,能部署在有限的空間裡,但是IoT節點需要包含大量的功能。通常,這將用於管理系統和處理資料的微控制器(MCU)、各種類型的感測器(取決於要測量或監測什麼)以及加密技術,以確保安全儲存和傳輸任何敏感性資料。電源也是必需的,雖然許多IoT設備都部署在家庭、辦公室或工廠,通常有電源可供運用,但為了方便,許多設備使用電池供電。當然,在沒有電源的偏遠地區使用的所有IoT設備都是以電池供電的。 電池有尺寸上的限制以及可用的電量有限,意味著設計人員為了確保沒有浪費一點寶貴的電量,在選擇和運用小的、超低功耗元件、開發精密的電源管理演算法的時候,將有許多重大的挑戰要克服。 節點聯接IoT 通訊介面至關重要 IoT設備的另一個挑戰是提供通訊介面,這對於聯接節點到IoT至關重要。這是個相對專業的領域,設計人員面臨的關鍵挑戰是從現有的巨大範圍中選擇最合適的協議。其中一些協議是非常專門的,適用於非常特定的應用,而另一些協議,如藍牙和Wi-Fi,則被廣泛運用,但僅適用於短程應用。 直到最近,蜂巢式行動科技(Cellular Technology)仍是其他短程無線技術(如藍牙)所無法達到的聯接節點的唯一可用方法。然而,蜂巢式行動科技專用於語音和高資料傳輸速率通訊(High Data Rate Communications),這使得它相對耗電,因而不適合IoT所需和依賴的簡單機器對機器(Machine-to-Machine, M2M)通訊。 Sigfox具低功耗/遠距離/低資料傳輸速率 Sigfox是一種蜂巢式移動系統(Cellular-style System),它為遠端聯接的設備,特別是IoT節點提供低功耗、遠距離、低資料傳輸速率和低成本的通訊。針對簡單的M2M通訊,Sigfox網路能夠支援的聯接遠大於簡單的低功率發射器能夠獨立達到的距離。該網路採用超窄帶(Ultra-Narrow Band, UNB)技術,支援低發射功率同時保持穩固的聯接。 igfox可說是適用於任何IoT應用,它幾乎沒有什麼限制,使應用不須要每天發送超過140個12位元組的消息,並且可以接受每秒100位的無線傳輸量,因此Sigfox提供一個可靠、低功耗、低成本的聯接方案。 然而,與藍牙等無所不在的通訊協議不同,與Sigfox相關的技術專業知識被認為是相對小眾的。這對設計工程師設計和實踐一個成功的、基於Sigfox的通訊介面構成了一條陡峭的學習曲線,對尋求解決遠端IoT市場的公司造成了一道技術門檻。 模組化Sigfox方案 消除技術設計障礙 安森美半導體積極投入該領域,最近推出了可程式設計的Sigfox RF收發器系統級封裝(System in Package, SiP),整合先進的RF系統單晶片(System-on-Chip, SoC)與所有必需的外部元件(包括一個TCXO),進而使簡化和縮短設計認證流程成為可能。 AX-SIP-SFEU SiP提供開箱即用的、設備到雲端的Sigfox聯接,包括使用Sigfox LPWAN通訊的遠端IoT應用上行和下行鏈路。該SiP把一個Sigfox無線電IC、分離式的RF匹配元件、所需的所有被動元件及韌體整合在單個封裝中。由於該方案已預先通過CE認證,並經Sigfox認證,採用安森美半導體的技術解決方案,設計人員有把握實現一個高品質、全整合的完整方案。 該微型的7mm×9mm×1mm、統一塗層保護膜封裝,確保AX-SIP-SFEU可部署在空間受限的遠端IoT應用中。該元件其實是世界上最緊湊的、Sigfox認證的方案,確保設計人員能夠克服設計遠端IoT節點所面臨的物理空間挑戰。微型尺寸特別適用於可穿戴裝置、資產追蹤標籤或任何需要小Sigfox方案的應用。 使用AX-SIP-SFEU還能顯著減少電源相關的問題,因為超低功耗設計結合了待機、睡眠和深度睡眠模式,以便在不須要傳輸時省電。這些模式分別只需0.55毫安培、1.2微安和180奈安的電流,使該元件可由鈕扣電池(CR2032)供電。或者,可以使用能量採集技術,無需任何電池、管理或更換。 任何無線電設計中(尤其是第一次設計時)最令人刮目相看的一面,就是獲得認證。AX-SIP-SFEU SIP經Sigfox認證用於RC1區域網路,表示它已通過認證,符合標準的RF和協定規範,進而確保了互通性。此外,該元件已獲CE認證,證明其符合歐洲經濟區內銷售產品的衛生、安全和環保標準。 雖然IoT提供了許多好處及機會,但節點小而且複雜的性質給設計工程師帶來了巨大的挑戰。他們不僅必須滿足物理尺寸限制和處理低功耗的要求,還必須確保設計中所含的RF通訊符合國際標準,這增加了設計流程的時間、成本和風險。尤為重要的是,對於要遠距離無線聯接的遠端設備,需要比蜂巢式移動網路更具性價比的方案。 透過運用預先認證的、超微型、超低功耗模組如安森美半導體的AX-SIP-SFEU,設計人員現在能夠設計IoT節點,有把握能輕易和幾乎零風險地實施預認證的RF通訊系統,進而消除IoT設計的一個重大技術障礙。 (本文作者為安森美半導體無線互聯方案經理)
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發揮長期隔離能力 閘極驅動器功率極限再進化

本文將探討藉由對IGBT/MOSFET電源開關進行破壞性檢測,分析閘極驅動器的隔離耐受能力。例如,對於像是電動/混合動力車這類高可靠度/高效能應用而言,隔離式閘極驅動器必須確保隔離阻障層(Isolation Barrier)在所有情況下維持完好。隨著Si-MOSFET/IGBT不斷改良,以及氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)技術的推出,現代功率轉換器/逆變器的功率密度也跟著提升。 因此業界需要高整合度的隔離式高強固新型閘極驅動器。由於電氣隔離機制已整合在驅動器晶片內,因此這些驅動器得以小型化。電氣隔離可透過整合型高電壓微變壓器或電容來達成。由於只要出現一次意外的系統故障就可能導致電源開關損壞或爆炸,或甚至整個電源逆變器(Power Inverter)毀損,因此必須針對高功率密度逆變器來評測閘極驅動器在隔離方面的安全性能。這方面的隔離可靠度,必須針對電源切換開關毀壞的最糟狀況來進行測試與驗證。 當高功率MOSFET/IGBT失效時,逆變器內部數千微法拉的電容組(Bank Capacitor)在最糟狀況下會快速放電。這些釋放的能量會導致MOSFET/IGBT毀損、封裝爆裂以及電漿外溢到環境中。部分能量會流到閘極驅動器的線路,則會導致電氣過載(Overstress)。另外由於功率密度極高,因此即使在晶片本身失效的情況下,驅動晶片也應設計成能夠維持電氣隔離。 建構高整合度閘極驅動器 晶片層級隔離方面,運用平面微變壓器來提供電氣隔離。它採用晶圓層級技術進行製造,並製作成半導體元件的規格。在一個iCoupler通道中含有一個IC,以及晶片層級的變壓器(圖1)。在隔離層中則有隔離阻障層來分隔每個變壓器的頂部與底部線圈(圖2)。數位隔離器採用厚度至少20微米的聚醯亞胺(Polyimide)絕緣層來分隔平面變壓器線圈,其製造流程也整合成晶圓製程的一部分。這樣的製程除了讓隔離元件能以低廉的成本整合到任何晶圓廠的半導體製程外,還能達到極高的品質與可靠度。圖2的橫截面圖顯示透過極厚的聚醯亞胺層隔開頂部與底部線圈。 圖1 MOSFET半橋驅動器的晶片配置 圖2 微變壓器的橫截面 封裝內的分離導線架(Split Lead-frame)會完成隔離機制。當電源開關爆炸導致閘極驅動器輸出晶片受損,內部晶片的分區與配置設計必須確保隔離層完好無損。目前已建置許多保護措施以確保閘極驅動器內部隔離機制在遭遇事故後的存活力: .適當調整外部電路以限制流入閘極驅動晶片的電力 .適當配置驅動晶片的輸出電晶體 .適當配置晶片上的微變壓器 .適當配置封裝內部的控制與驅動晶片 晶片內部閘極驅動器的配置,如圖1能在極端電氣過載狀況下避免電氣隔離性能崩潰。 破壞性測試模擬逆變器失效 透過組建一個含有385V與750V兩個電壓位準的測試電路以用來模擬實際電源逆變器的各種狀況。在需要對110V/230V交流電網進行功率因素修正的系統而言,385V的電壓位準相當常見。750V則常見於高功率逆變器,這類逆變器用來驅動許多應用,其中使用到的開關其額定崩潰電壓多為1200V。 在破壞性測試中,其中一個逆變器接腳連著一個電源開關以及一個適合的驅動器,在開關失效之前會維持導通狀態。在破壞期間系統會紀錄下波形,以判斷流入閘極驅動晶片的能量。之後研究各種保護措施,以限制流入閘極驅動電路的破壞性能量。在破壞性測試中用到許多種類的IGBT與MOSFET。  MOSFET/IGBT在受控破壞模式下測試電路 在IGBT/MOSFET驅動器的電氣超載測試(EOS-test)方面,我們設置一個相當接近真實世界條件的電路(圖3)。電路中含有電容與電阻,對於5kW至20kW功率範圍的逆變器而言都是相當適合的元件。在閘極電阻Rg方面,採用的是額定2瓦功率的軸向型金屬電阻。當中用到一個阻隔二極體D1,用來防止電力從高電壓電路逆流到外部電源。 圖3 EOS電路配置,用來量測隔離耐受性檢測中電源開關的損壞狀況 這個二極體也能反映真實狀況,因為浮接(Floating)電源供應器內含至少一個整流器(亦即自舉電路)。高伏電源HV會透過一個接有充電電阻Rch以及一個開關S1的電路對阻塞性電極電容進行充電。在EOS-test方面,則維持以500µs的開啟訊號貫入到控制輸入電壓VIA或VIB。這個開啟訊號透過微隔離(Microisolation)構造進行傳送,會導致短路狀況並破壞電源電晶體T1。在一些情況中,甚至會觀察到電晶體封裝爆裂。 在這裡,我們在兩個電壓位準上用四種電源開關來模擬逆變器的損壞。第一種測試是針對特定類型的切換開關,第一次會接上電力限制電路,第二次則不接。為限制損壞階段流入驅動器電路的能源,在一些測試中會把齊納二極體Dz(BZ16,1.3瓦)直接連到驅動器的輸出針腳。另外還會研究不同的閘極電阻值。 檢測直接閘極驅動器電路受損狀況 另一項測試則是模擬最糟狀況條件,當中破壞性能源直接導入閘極驅動器的輸入與輸出晶片。在這項破壞性測試中,完全充電的最大體積(bulk)電容直接連到閘極驅動器的輸出接腳(圖4)。這項測試顯示可能出現最糟狀況的超載,故能檢驗隔離耐受性的能力。能源直接流入驅動電路,而閘極電阻則是唯一的電力限制元件。其中中繼器S2把高電壓耦合到閘極驅動器的輸出電路。 圖4 EOS電路,在隔離耐受測試中用來判斷能源限制的能力 圖5顯示在最糟狀況測試中,沒有任何元件用來限制能源流入晶片的輸入端與輸出端。在高電壓750伏的直接應用方面,透過開關S1連至輸出晶片,用來代表最糟狀況的條件,中間高電壓750伏特導入驅動晶片,當中沒有用到任何能源限制閘極電阻。 圖5 EOS電路在最糟狀況中,能源直接貫入輸入與輸出晶片。 另外一種可能的最糟狀況,超量電源電壓貫入到驅動器一次側的控制晶片。輸入電源電壓的最大建議值為5.5V。倘若DC對DC轉換器產生的輸入電壓不受調節,其輸出的電壓就會升高。在不受控制的狀況,許多尖端直流對直流變壓器的輸出電壓可能提高二至三倍。貫入閘極驅動器輸入晶片的能源受到限制,而包括電阻、電源切換開關、電感等其他元件也都包含在內。這些元件會阻止能源流入控制晶片。這裡選用15V的電源電壓以及1.5安培的電流,用來模擬真實世界中直流對直流變壓器機能失常的狀況。 如表1所示,使用圖3、圖4、圖5電路進行超載測試的結果。為判斷保護電路的影響,對每種MOSFET/IGBT電源開關進行兩次測試。在9、10、11最糟狀況測試中,使用到開關S1與S2。 一般而言,齊納二極體有助於保護驅動電路,如表所示(比較測試1與測試2)。然而當閘極電阻值過小,不論是否有齊納二極體,驅動器都會受損(比較測試3與測試4)。 比較測試2與測試3,以及對照測試3與測試4,即可估算出驅動器的損壞能源。測試5與測試6提供一項有意思的結果:超接合面(Super-junction)MOSFET比起相同額定功率的IGBT更能限制能源流入閘極驅動器。測試9、10、11的目的-無上限能源流入控制與驅動器晶片-則是用來研究在最糟狀況下隔離耐受性的效能。 破壞性測試顯示在電源開關受損時的不同波形。圖6的波形是一個超接面MOSFET,開啟到晶片損壞之間大約經過100微秒,只有極小的電流流到驅動晶片,故能通過超載測試。在相同的測試條件下,標準MOSFET導致大幅提升的閘極電流與過壓,而使驅動器受損,如圖7所示。 圖6 破壞SPW2460C3產生的波形圖;沒有觀察到驅動器受損 圖7 破壞2個並聯FDP5N50所產生的波形圖;閘極驅動器失效 晶片損壞分析 部分密封的閘極驅動器顯示在不同開關與不同測試條件下出現類似的晶片損壞。圖8顯示一個P-MOSFET輸出驅動器在測試8中表1的損壞狀況。750V電壓的測試中導致一個IGBT爆裂,以及損壞限能元件Rg與DZ;不過只有在VDDA接腳焊線附近出現小區域的熔融。 圖8 閘極驅動晶片照片顯示測試8的損壞區域。隔離層中沒有發現損壞 受損階段的閘極過流,會從P-MOSFET的本徵二極體流到100微法拉電容。由於電流擁擠效應,靠近焊線的區域出現熔融。除此之外驅動晶片沒有其他損壞,控制晶片的隔離層也沒有觀察到損壞。圖9顯示測試9的熔融區,過程中150伏特的電壓直接貫入驅動晶片。控制晶片的電氣隔離能耐受這種極端超載測試。 圖9 閘極驅動晶片的照片顯示測試9過程中的損壞區域。極端的電氣超載並沒有破壞控制晶片。最終結果並沒有偵測到隔離機制受到損壞 一次側的最糟狀況顯示超量電源電壓貫入控制晶片的結果。在測試11中,15伏特的電源電壓貫入VDD1接腳,如圖5,遠遠超過絕對最高額定值7.0伏特。圖10照片顯示晶片中靠近VDD1接腳的區域出現熔融。 圖10 輸入控制晶片照片顯示測試11中的受損區域。貫入電路的能源導致在VDD1接腳附近出現範圍極有限的熔融。隔離層本身則沒有受損 電源切換開關的破壞性測試不會影響到整合式閘極驅動器的隔離耐受性。即使驅動器因超量能源流入輸出晶片而受損,也只有局部小範圍的區域會出現熔融。超量的能源會直接透過P-MOS驅動器電晶體導入到阻隔電容。因此熔融只會出現在P-MOS區域。 ADI的整合式閘極驅動器ADuM4223/ADuM3223的晶片配置不允許熔融區域擴散到控制晶片,因為控制晶片內含電流隔離訊號變壓器。為限制能源流入驅動器的輸出端,業界會使用齊納二極體。齊納二極體搭配一個適合的閘極電阻,能在電源切換開關受損時保護閘極驅動器。可以設計閘極電阻在整流時管理電力消耗,以及在出現損壞時隔離驅動器與電源開關。當高電壓直接貫入晶片時,閘極電阻可發揮保險絲的作用。電阻會讓晶片損壞控制在小範圍,只會在輸出電源切換開關附近出現熔融。 在最糟的狀況下,當無受限能源貫入輸出晶片,驅動器輸出接腳附近會出現有限的熔融區域。這項測試並沒有影響到隔離耐用性。在一次側的最糟狀況中,當電源電壓大幅超越絕對最大額定值,在電源電壓接腳的週圍就會出現有限度的熔融區。在任何電氣超載測試中,都沒有隔離能力弱化的跡象。之後進行高電壓隔離測試,則確定電氣微隔離的耐受性能。適當的晶片結構,以及驅動器封裝內部的晶片配置,能阻止破壞能源擴散到微變壓器的高電壓隔離層。 (本文作者任職於ADI)  
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高彈性/相容性加持 ISA100.11a串聯智慧工廠

工業4.0應用於程序自動化產業的基本作法與電子業一致,但由於生產過程以及應用環境的不同,會衍生出不同應用架構以及不同的工業網路需求。 不同於電子產業分站式生產過程,重工業的生產特色是有上中下游的帶狀生產運輸過程,廠區通常占地幅員廣大且常常處在高溫高濕、高塵粒、高汙染、高爆炸性的作業空間,環境相當嚴苛。 智慧製造的基礎建立在大數據之上,重工業的資料擷取點通常來自於不同種類與形式構建的感測器網路(Sensor Network),例如流量計與物位計、壓力計等。流量又可分為總流量與瞬時流量,物位計又因為量測對象為液態或固態而有不同的量測方式等不一而足。 由於儲存設施通常為大型桶槽,高度可達20~30公尺,因此,重工業的廠區網路建置若採用有線網路布建不僅成本高、維護不易,在彈性調整上更是不便。另一方面,也由於廠區幅員廣大加上地形、地物的高低落差等影響,一般常用的Zigbee與藍牙等技術都會面臨穩定性與通訊距離限制的問題。 在此之下,目前適用的無線網路協議且為標竿產業龍頭廠商所認可的國際標準,只有WirelessHART和ISA100.11a兩種。相較於WirelessHART無線技術,ISA100.11a更具備彈性部署以及相容性高的特質,是一個值得關注的無線技術。 ISA100.11a無線技術特色 由於ISA100.11a與WirelessHART都是建築在IEEE802.15.4(2.4GHz)的物理層技術架構且應用領域相近,經常引人誤認為相同的技術背景與架構。事實上,ISA100.11a技術在支持IPv6以及具備分散式拓撲結構以及高相容性方面,都比WirelessHART技術更具優勢。 以下為兩者的網路疊構圖示(圖1),其中AL、TL、NL、DL、PL分別對應到OSI所定義網路7層結構的應用層(Application Layer)、傳輸層(Transport Layer)、網路層(Network Layer)、資料連結層(Data Link Layer)與實體層(Physical Layer)。 圖1 ISA100.11a(左)與WirelessHART(右)網路疊構差異圖示 由於IEEE 802.15.4的Frame框架長度不足以直接傳輸IPv6封包,因此,ISA100.11a在網路層與資料連結層當中新增對於封包(Packet)的封裝(Header Encapsulation)、壓縮(Compression)與分封(Fragmentation)對應機制,此一設計使得ISA100.11a帶來WirelessHART技術所無法達到的應用:分散式骨幹路由器(Backbone Router)。在此架構之下,一個閘道器(Gateway)可透過多個獨立布建的分散式骨幹路由器提供現場感知設備的路由與ISA100無線覆蓋,使得網路建置擴充更具彈性。 圖2為ISA100制訂的聯網架構拓撲之一,左側的現場感知設備(Field Device)皆以ISA100.11a的Wireless Mesh技術相連再透過設備之間的最短路徑連接到骨幹路由器。閘道器設備透過IP網路將感知設備的擷取資料連接到工廠網路(Plant Network)的後台控制系統(例如DCS等設備),這也是一般ISA100主導廠商(如Honeywell、Yokogawa)的架構方式。 圖2 ISA100.11a獨特的分散式Backbone Router網路拓撲架構 滿足工業4.0 ISA100.11a網路架構需具四大特點 傳統ISA100.11a無線網路架構為封閉式的回路,主導廠商大多採用乙太網路進行現場布建。這樣的架構在工業4.0的應用建置會面臨缺乏連雲方案大數據採集困難以及有線布建成本與維護成本的壓力。沒有網路管理機制,在網路布建數量大增之下,整體維運管理成本與困難度也大幅提高。因此,在轉化傳統ISA100.11a無線網路並加值成為工業4.0應用架構方面,有以下建議可供讀者參考: 穩定的Wi-Fi無線骨幹傳輸 Mesh的無線架構無論在ISA100.11a以及WirelessHART兩大陣營,都是基本必備的無線傳輸主流技術。Mesh技術之所以受到這兩大無線技術支持的原因在於程序自動化的廠區布建範圍廣大,各設備之間需要網路通訊時必須考慮可用的頻寬以及傳輸距離、分散式架構與穩定的傳輸品質。要符合這麼多的特質,唯有Mesh無線技術可以符合需求。 同樣的道理,在閘道器與骨幹路由器之間,也會需要Mesh技術來強化Wi-Fi無線骨幹的傳輸品質。相較於Mesh與傳統AP/Client傳輸模式,Mesh技術帶來以下特色: .多重無線路徑 Mesh技術可同時維持多條無線傳輸路徑,並自動選擇傳輸品質最佳的路徑。相對地,AP/Client模式由於多個Client設備共同分享AP的頻寬以致於傳輸當中的設備受到干擾會造成整體AP傳輸性能的下降。採用Mesh模式可大幅降低外界干擾影響之外還可以縮短網路傳輸的回應時間。從圖3可看出Mesh無線技術在掉包率以及回應時間的特性都優於一般的AP/Client模式。 圖3 Wi-Fi Mesh與AP/Client模式的特性比較 .自組網與自癒合 Wi-Fi Mesh的組網過程非常簡易,設備上電之後會開始與維運當中的Mesh設備連線,無須繁複的網路設置便可加入網路。當原先連接設備斷訊時,Mesh設備會立刻選擇另一條傳輸品質最佳的無線路徑,使得通訊中斷得以立即恢復。 .彈性部署 藉由自組網與自癒合功能,場域布建時可透過Wi-Fi高帶寬骨幹的聯通,設備僅須提供電源即可彈性增加部署新設備,進行組網。對於網路的建制與維運而言,毋須額外新增光纖布建也同時降低成本。 為強化閘道器的骨幹傳輸穩定,Wi-Fi Mesh除了做為無線骨幹傳輸之外,亦可搭配乙太網路介面形成有線/無線雙備援的傳輸機制,以下範例為新漢公司的NIO200 ISA/WirelessHART網關連線架構(圖4)。 圖4 有線/無線雙備援的傳輸機制 實現程序自動化 七大網路管理重點不可少 程序自動化的廠區通常占地幅員廣大,包含眾多有線、無線網路以及感知設備,對於沒有網路管理經驗的工廠使用者而言,如果沒有一套容易操作的工業4.0網路設備管理系統的話,對於長期維運的負擔會相當沉重。理想的管理系統須具備以下功能。 .設備自動偵測能力 標準的網路管理協議(如SNMP、CAPWAP)常用於AP、Switch等網路設備,但感知器的通訊則常用Modbus協議。對於工業4.0的設備健康管理而言,管理系統必須兼具SNMP,CAPWAP以及Modbus協議才能便於網路設備與感測設備的自動偵測功能。 .視覺化的拓撲呈現 當系統透過CAPWAP機制做完Discovery與IP配置完成後,管理軟體得以透過SNMP以LLDP、MAC Table、ARP Table等方式來建立設備間的連線,依據連線的種類以及Port Number等資訊來製作視覺化的網路拓撲圖。 視覺化拓撲功能可以讓管理者在直接看到設備之間的連線情形並進行相對的管理措施。例如,設備無法連線時,設備端的圖像以及相連的無線連線路徑也會從綠色的樣式變為紅色的告警顏色。視覺化拓撲呈現方式,可提高網路與設備的管理效率。 .支援多重圖資與廠區平面圖的輸入 管理系統須支援圖資介面可讓使用者輸入多層次的廠區平面圖,將設備的架設位置以及樓層資訊收容在不同群組上。再利用拓撲圖的階層式管理介面,讓管理者可以一目了然,快速的進行設備管理。 .非法設備檢測支援 為加強資安防護,管理系統須可偵測和設定未經授權的設備為非法設備,並給予標記與警報提醒使用者。同時,也可將合法的設備納入「白名單」中,讓系統偵測後辨別為合法設備。經由掃描之後,非法設備不但會被標示在設備列表當中,也可在拓撲圖以及在事件日誌當中上出現驚嘆號的提示,以提醒網路與設備的管理者。 .日誌管理 管理系統的「日誌頁面」需可將設備發生之異常事件或設備變更等設定記錄於列表中,提供管理者查閱。事件紀錄(Event Log)方面,管理者可以按照設定的搜尋條件,進行設備警示紀錄的查詢。搜尋條件包含「起迄日期」、「IP位址」、「嚴重程度」、「設備名稱」或先前已「清除」的紀錄。 .韌體更新功能 管理系統須提供設備韌體更新功能,並預先設定備份的schedule,或是立即以手動執行備份作業。因此,對於製程使用中的機具設備可以預先設定備份時程不用擔心備份工作對生產製程的影響,對於維運工作可大幅提升效率。 .Mobile APP 管理系統除一般的Web...
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具備高度可靠性/安全性 藍牙滿足工業連網應用需求

然而,鮮為人知的是,即使在最惡劣的環境中,藍牙也可為工業應用提供無線連接(圖1)。藍牙的技術發展一直是與時並進,在2016年12月最新發布的藍牙5規範中,它增強了功能組合,可適用於全新的使用案例。但是,經常被忽視的是,就其核心技術來看,在工業應用方面,藍牙確實擁有龐大的發展潛能。 圖1 使藍牙適用於惡劣環境的主要特性 藍牙工業應用八大特色 上述提到,就其核心技術來看,藍牙在工業應用方面擁有龐大的發展潛能,而以下是八個支持或選用藍牙來連接工業應用的有力論點。 不易受到干擾 藍牙是在毋須授權的2.4GHz ISM(工業、科學和醫療)頻段上運作,並與各種RF技術共存,包括Wi-Fi、Zigbee,以及如汽車警報和視訊裝置等其他的商業應用。 為了使訊號被接收到,藍牙採用一種稱為適應性跳頻(Adaptive Frequency Hopping)的技術。在傳統藍牙(Bluetooth Classic)標準中,2.4GHz ISM頻段是由79個單獨的1MHz通道所組成。在低功耗藍牙(BLE)中,頻譜則被劃分為40個單獨的2MHz通道,以實現更寬鬆的RF設計並進一步降低成本。 訊息會被分割成小的數據封包,並且每隔625微秒,會在不同的通道上一個接一個地發送。根據協定的順序,通道每秒最多可切換1,600次。未能完整傳送到接收器的封包會再重新傳送,如果是通道的問題,便會被標記並在後續的通訊中避免使用。因此,藍牙通訊的結果是,能找到切斷雜訊的最佳路徑,以便可靠地進行無線數據傳輸。 支援高裝置密度 藍牙已經為支援高裝置密度進行了最佳化設計,此外,若附近有多個網路,仍能以有限的干擾繼續運作。它的簡短數據封包非常適用於工業應用,如測量和控制,這類應用都僅需要很短的傳輸時間。因此,它們不會不必要地干擾電波,能把對其他裝置的干擾降至最低。 藍牙還具有自動電源控制功能,僅利用到達接收器裝置所需的訊號強度來傳送封包。這意味著,當沒有雜訊須切斷時,它們不會耗費太高的功率。此特性亦能減少電波的負荷,能夠在不造成干擾的情況下,增加相同頻段上的裝置數量。它還具有節省電力的額外好處。 最後,藍牙也為了與Wi-Fi共存進行了最佳化設計,Wi-Fi通常會在工業和消費性產品環境中與藍牙共享ISM頻段。Wi-Fi通道在ISM頻段中使用22MHz頻寬,可同時容納多達三個非重疊通道。利用適應性跳頻技術,藍牙能夠最佳地利用無負載的電波。 能偵測並糾正位元錯誤 當訊噪比低時,例如,在嘈雜環境中或當傳輸距離很長時,訊息中有位元錯誤的機率便會增加。除了透過避免使用不可靠的通道來偵測錯誤,以最佳化通道跳頻設計之外,若需要,藍牙還可以利用前向糾錯(Forward Error Correction, FEC)來修正接收器端的位元錯誤。這是透過在主要訊息中增加冗餘位元,然後FEC演算法可用它來修正錯誤。因此,這也有助於藍牙在長距離和嘈雜環境中可靠地傳送訊息。 適用於現有設計 序列埠(Serial Ports)已使用了數十年之久,且將持續用於工業應用。藍牙序列埠規範(Bluetooth Serial Port Profile, SPP)可透過藍牙模擬具備硬體交握的完整序列介面(RS232、RS422/485)。點對點或多點運作的無線連接可用來取代序列纜線,SPP已被用來透過序列介面在筆記型電腦、控制系統和其他裝置之間交換數據。 提供廣大覆蓋範圍 雖然藍牙通常被當作傳輸距離僅為數公尺的無線通訊技術,但它已被證明能夠在更長的距離上可靠地運作。曾有一項研究,針對基於藍牙的即時感測器致動器介面在惡劣工業環境中的效能進行了評估。 藍牙5可提供的傳輸距離更長。在開放空間條件下並使用良好的天線,我們能夠使用藍牙長距離模式(編碼PHY)把訊息傳輸至1.7公里以外。 在最具挑戰性的情況下,透過把廣播訊息的時間增加到8倍,可以在藍牙5長距離模式中實現更遠的覆蓋範圍。透過建置藍牙網狀網路,還可以在密集環境中進一步擴展覆蓋範圍。在網狀網路中,訊息可以從一個節點傳送到另一個節點,直到它們到達目的地為止。 適用於任何地方 藍牙裝置是專為滿足相同的全球標準要求而設計。這對裝置製造商來說非常重要,他們不必擔心須維護多種產品型號(SKU)來因應全球市場需求。隨著藍牙技術廣泛應用到手持式裝置,更提供了可透過專用應用程式從任何一種智慧型手機或平板電腦與藍牙裝置連結的機會。 滿足工業物聯網應用 根據LED照明和感測器裝置用彈性式照明韌體套件供應商Silvair的報告,與其他短距離無線技術相比,藍牙的無線電性能(低功耗版本)更為突出,特別是在速度方面,因而能提高效率、延遲和反應能力。此外,藍牙已針對許多非常小容量的數據封包傳輸進行了最佳化設計,使其成為物聯網應用的理想選擇,不僅適用於連網家庭或城市,亦適用於連網工業應用。 設計非常安全 藍牙具備多項特性,使其成為安全的無線技術。例如,前面提到的適應性跳頻技術,它是取決於僅有發射器和接收器知道的偽隨機跳頻序列來運作。這意味著,竊聽者必須跟蹤所有可用的通道並正確地拼湊數據封包,才有可能取得發送的訊息。 從藍牙4.2開始,藍牙裝置的配對,亦即裝置間通訊的先決條件,是採用符合聯邦資訊處理標準(Federal Information Processing Standards, FIPS)的演算法來生成所謂的橢圓曲線(Elliptic Curve Diffie-Hellman, ECDH)公鑰-私鑰對。此特性稱為LE安全連接,可保護傳輸的數據不會因為中間人(Man-In-The-Middle, MITM)的攻擊而被攔截。 藍牙模組也可被設定為讓其他的藍牙裝置看不見,這表示,駭客將不知道它們的存在。只有事先配對過的裝置之間才能建立連接。 藍牙確保長期可靠效能 藍牙技術聯盟(SIG)成立20年以來,藍牙技術隨著使用案例的演進而與時俱進,一直以來都獲得市場的廣泛採用。最早,藍牙被定位為行動電話間數據同步的無線技術,但它很快就擴大到支援各種的使用案例,特別是個人電子裝置間的數據傳輸。今天,藍牙低功耗(從4.0版開始)和藍牙5.0更是擴大範疇,扮演完全不同的角色,能夠適用於物聯網的諸多應用。 自藍牙標準推出以來,藍牙已經證明自己是工業製造流程的強大連接解決方案。涵蓋工業製造、醫療設備和井下測量等多樣化領域,數以萬計家的公司,多年來,都已經成功地將藍牙運用在各種工業應用,在未來,藍牙技術仍將持續在連網工業應用領域扮演重要的角色(圖2)。 圖2 藍牙技術的工業應用 (本文作者為u-blox短距離無線電產品資深產品策略主管)
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降低製造時間與成本 電動車先進電池化成與測試系統助力

日趨嚴格的車輛碳排放法規,加上更注重環保的消費者,促使業界轉移至電動車輛的步調持續加快,預估到了2025年時,電動車在所有車輛的銷售比例將達到10%,遠高於現今的1%。然而,眼前一大難題就是電池的成本居高不下,約占電動車整體成本將近一半。 決定電池成本的因素有很多,其中一個就是製造商能在製造的最後階段大幅降低成本。明確的說,是在電池化成(Formation)與測試階段,這個階段在電動車電池成本占了20%的比重。 電池化成與測試是極費時的程序,涉及多次充電與放電,藉以活化電池的化學物質,整個流程須費時整整兩天。必須經過這些程序才能確保電池能放到車上運作,並確保其可靠度與品質。由於整個流程費時甚久,因此成為電池製造商面臨的一大瓶頸,使其難以提高作業流量以及降低電池生產的整體成本。電動車電池製造商以及化成與測試系統供應商之間的合作,讓他們能更加注意這些層面,除了降低關鍵製造階段耗費的時間與成本,同時還能維持先進電池化學所要求的精準度。 電動車的電池占近50%成本,降低電池成本就是降低車輛整體成本 加速測試流程降低電池成本 為降低電池的成本,製造商必須採取全面的作為,從運用供應商系統層面的專業技術,一方面降低電池測試電路的占用空間,另一方面增加通道的數量。進行這兩任務的同時,還必須維持準度、精度、可靠度以及電池化成與測試量測的速度,藉以確保符合安全性、效能、以及可靠度方面的要求。 然而真正的實行並不簡單。從前端開始,用來驅動電池充電電路的電源供應器必須嚴密地控制。接著深入到電池化成與測試方面,必須嚴密監視電池充放電(Battery Cycling)時電流與電壓的分布(Profiles),以防止過充以及充電不足。這除了確保測試時的安全,還能延長電池的使用壽命,讓終端使用者大幅降低整體持有成本。 就關鍵的電池量測方面來說,必須運用高階儀表放大器(In-amps)和相關的分路電阻,才能在嚴苛的工廠條件下量測精準度優於正負0.05%水準的電池充電/放電電路。這樣的精準度也適用各種不同的放大器,這些放大器是用來監視在整個操作溫度範圍內運作的系統電壓。 雖然有許多方法能將這些元件整合成一個完整的解決方案,但想要在最小的系統中發揮最大的效能則是極大的挑戰。因此,ADI 因此著手將包括類比前端、電源控制以及監視電路等元件整合成一顆IC。內含電池正負極反接保護、過壓保護切換開關以及智慧控制功能,除了防止電池過充之外,系統占用空間也能縮減50%。協助電池製造商能將更多功能整合到測試系統,以更有效率地運用工廠之樓板空間。此外,它們也讓製造商能設計出具備更多功能的系統以及更健全的測試程序。 高效率電源轉換是系統效能進一步提升的另一個機會。藉由運用先進切換架構,測試系統可以接上電網,以進行雙向的能源交換,藉以將功耗降至最低。高效率的電源轉換也能減少對熱管理設備的需求,這些設備會增加系統的整體成本以及耗電。整體成果就是減少浪費的能源以及製造成本。要促成這些功能,必須瞭解各項系統功能,像是隔離閘極驅動器,以因應更快切換碳化矽與氮化鎵這類新型電源切換技術的需求。 擁有系統層級專業技術以及旗下產品多元的供應商之間進行緊密的合作,所獲得的益處不僅止於取得更精密的元件和零組件,電池製造商也能取得系統架構方面的參考設計方案,產品的調校工作因此變得更為容易,比起以往電池製造商必須從頭開始發展系統測試程序的狀況,其能進而使產品上市時程要快上三到四倍。 全球對電動車輛的需求預估從現在開始到2021年將有21%的年複合成長率,因此電池製造商與車商之間亟需密切合作。供應商必須提供可靠且通過驗證的解決方案,讓製造商的系統效率能有效提升。供應商應協助製造商盡速將這些功能市場化,促使電池與電動車輛的生產更蓬勃。 (本文作者任職於Analog Devices)  
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軟性基板/薄膜漸成熟 折疊顯示器喜迎新商機

從技術角度來看,以塑膠為基礎的軟性顯示技術將會改變傳統玻璃基材的面板結構與材料系統,進而影響到目前的產業供應鏈,玻璃相關供應鏈在軟性顯示器的空間會被新的軟性膜材取代,這種由新材料、新結構帶動新製程對顯示器技術發展來說,無疑是一個革命性的里程碑。 本文從顯示器產品發展軌跡探索折疊顯示器與可撓性顯示器市場發展趨勢,進而確定未來OLED在顯示器技術勝出的機會,並從材料的觀點找出軟性基板與薄膜封裝技術應用於軟性顯示器的解決方案:以中性應力層結構來克服OLED脆性膜層避免應力破壞的特殊設計。另外,軟性OLED模組的圓偏光片、觸控模組與蓋板模組都因為可撓的需求而有重大的改變,本文也從這些改變分析探討未來諸多功能膜材發展的商機。 折疊手機成OLED顯示技術發展轉捩點 顯示器是人機介面,顯示器技術演進與應用產品對顯示需求有極密切的關係,陰極映像管(Cathode Ray Tube, CRT)時代,影像傳播剛起步,顯示技術發展以影像品質為優先,厚、重的特性雖然厭惡,但是別無選擇的接受,到了筆記型電腦時代,CRT的厚、重與耗電已經無法滿足產品需求,這提供了液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)技術發展的市場隙縫,使LCD能夠在這隙縫中逐漸成熟,最後取代CRT成為技術主流。 而有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode, OLED)正循著LCD取代CRT市場的模式,在可折疊的市場隙縫中找到取代LCD的絕對優勢,未來幾年,OLED技術將擴大折疊面板、捲曲面板的優勢,進而蠶食目前LCD的產品應用,2019年無疑是OLED顯示技術發展的轉捩點。 盱衡顯示器LCD與OLED兩大陣營對產能的布局不難看出市場未來的走向。在LCD方面,從1988年Sharp開發全世界第一個14吋TFT LCD起已經30年,生產製造的技術已經來到面板長寬3米以上的10.5/11世代廠,生產技術成熟,近來擴廠雖然緩下來,但是往後幾年累積的產能高達每年2億平方米以上。 在OLED方面,雖然從2001年新力(Sony)推出全彩13.3吋主動式大尺寸OLED面板,韓國大廠三星(Samsung)展出15吋全彩主動式OLED面板以來也近20年,在此期間,剛萌芽的OLED在市場上挑戰已經成熟的LCD,由於找不到獨特的產品定位,自然推廣極其辛苦,許多早期投入OLED的廠商包括:三洋電機、日本精機(Nippon Seiki)、東芝(Toshiba)、Seiko Epson、先鋒(Pioneer)等廠商紛紛退出,而友達、奇美等台廠則在以LCD為主軸的方向下,維持一定的研發與少量生產的能量。 韓廠三星在2010以自家手機為市場,讓OLED技術能夠正式大規模的推向產品;LG則以大型電視產品為市場,用高端市場的高價產品來取得新技術存活的空間。大陸面板產業雖然起步較晚,但是大陸廠商挾其市場與資金的優勢,在OLED領域急起直追。從2010年京東方在鄂爾多斯建立5.5代OLED生產線起,包括京東方、華星光電、天馬、維信諾、信利、和輝等均規劃投資OLED的生產線,且多數的產線具有柔性OLED產品的生產能力。 就目前既有與未來規畫的產能分析,可以看出未來產品市場的發展趨勢。圖1是平面顯示器的產能,由圖可以發現,未來幾年平面顯示器的年產能將高達3億平米以上,其中OLED占不到15%。 圖1 全世界平面顯示器的產能 LCD由於技術成熟,生產成本低,因此產品價格低廉,在大尺寸的電視、中尺寸的監視器、筆電到小尺寸的手機面板、穿戴裝置等產品在價格上都有難以取代的競爭性;反觀OLED方面,生產技術仍然發展中,相對產能不到LCD的15%,產業鏈正在建立、設備建置昂貴、良率還爬升中,因此,生產成本高昂,價格競爭力有限。 在這種產業環境下,OLED只有找到一個LCD無法進入的產品市場,方得以生存下來,OLED可藉由這個獨有的市場空間使技術、產業鏈能有健全的發展機會,最後反過來競爭LCD的產品市場。折疊面板便是這個專屬OLED的市場區塊,因此,未來幾年,OLED將全力推展折疊面板的應用,藉由折疊面板甚至卷曲面板的產品來將LCD擠出市場,這種發展軌跡與LCD取代CRT相似。 行動裝置是折疊面板最適用的產品,手機市場成長已經趨緩,急需有新功能來刺激換機需求。訊息傳輸量大的5G在2019年開始上路,6~10吋平板大小的螢幕方能發揮大資訊量顯示的功能,在攜帶便利與大螢幕雙重功能需求下,折疊面板無疑是最理想的解決方案,況且折疊面板還有不易摔破的絕對優勢,OLED在可折疊面板的技術突破後,將致力推進「可撓」這個LCD無法染指的應用。 折疊手機無疑是當下最有機會發揮折疊面板特色的產品。圖2是市調機構DSCC在2018年發表不同面板的手機數量預測,圖中即預測可折疊手機從2019年開始上市,並且以每年近1倍的數量成長,而LCD則逐年下降。折疊手機從2013年三星推出概念機開始,都未見產品真正的商品化銷售,直到去年底大陸柔宇發布推出全球首台「可摺疊手機」上市消息,一時間,三星、小米、華為、蘋果等手機大廠都傳出折疊手機於2019年上市的新聞。 圖2 以顯示面板分類的手機出貨 從面板技術的演進來看,折疊手機的實現是OLED技術從玻璃基板突破到塑膠基板的結果,面板曲面(Curved)、可彎曲(Bendable)、可摺疊(Foldable)、可捲曲(Rollable)的發展趨勢已經確立,未來OLED將以LCD無法折疊彎曲的特性勝出,並逐漸滲透取代LCD市場。 折疊面板技術突破 OLED成長逐漸上揚 顯示技術基本上分為自發光與不自發光兩大類如圖3所示。其中,LCD屬於不自發光顯示技術,其影像是靠液晶轉動來控制背光源的光線通過與否,而達到成像的目的。 圖3 顯示技術兩大類別 當LCD折疊時,液晶受力扭曲,光的路徑受到影響而扭曲,因此當LCD折疊扭曲時,影像扭曲或是漏光等缺陷無法避免,雖然在小區域做些隔離可改善扭曲漏光,但是經過幾年的研發仍無可靠的產品上市。OLED是自發光的顯示技術,靠的是載子(電子與電洞)在發光層複合產生光線而成像,因此扭曲、彎折對發光影響極微,這些LCD與OLED在先天上成像機制的差異,就決定LCD在折疊或捲曲面板應用出局的命運。 OLED是以低溫多晶矽(Low Temperature Poly Silicon, LTPS)的薄膜電晶體(Thin Film Transistor, TFT)來驅動,LTPS在玻璃基板的製程技術已經非常成熟,因此,柔性OLED工程問題的關鍵在如何突破於軟性基板上製作LTPS的薄膜電晶體。 玻璃長久以來就是顯示器的關鍵性基材,LCD用玻璃的應變點(Strain Point)高達600℃以上,熱膨脹係數低,具有極佳的水氧阻絕性,是面板製程非常理想的基材,惟玻璃是剛性材料,楊式係數(Young's Modulus)高達80GPa,些微的應變即產生極大的應力,因此彎曲不易。 雖然降低玻璃材料厚度能使玻璃有一定程度的彎曲,但是即使薄到50um以下,仍然無法彎曲到折疊面板需求的曲率半徑,因此,對於折疊面板來說,薄玻璃無法滿足低曲率彎折的功能需求。 撇開玻璃材料,柔軟的塑膠材料是軟性顯示基板材料的希望,惟其基本的要求是塑膠基材必須在LTPS高溫製程有一定的安定性。玻璃轉化溫度(Glass Transition...
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矽材料已近物理極限急尋接班 寬能隙GaN表現優異可望出線

以下將介紹以GaN材料的功率晶體,包括GaN材料的物理特性以及GaN高速電子遷移率場效電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)的元件特性,以便對此新材料及新元件有進一步的認識。 認識氮化鎵材料特性 寬能隙的材料相較於矽材料,有較高的電子能階,矽施予1.1電子伏特(eV)的能量可以使電子從價電帶移動到傳導帶,而寬能隙材料的GaN需要3.5eV及SiC需要3.3eV,GaN與SiC相較於矽材料有七倍以上的崩潰電壓強度,而電子飽和速度也比矽材料快兩倍以上,寬能隙的材料特性具有高耐電壓及高速切換的特性,應用在電源轉換器上,可以有效提高其功率密度。 早期矽功率開關元件是採橫向的結構設計,但在給定的導通電阻RDS(on)下,晶體尺寸過大,最終無法有效降低導通電阻。為解決這個問題,目前矽的功率開關採用垂直結構設計,其閘極(Gate)與源極(Source)在頂部,汲極(Drain)在底部。 圖1為GaN HEMT功率開關的剖面結構圖,使用橫向結構的水平型設計,GaN可以外延生長到矽的基底上,GaN HEMT有別於其他傳統半導體,具有非常強的極化(Polarization)效應,除了因III-V離子鍵和晶格結構所形成的自發性(Spontaneous Polarization)極化外,在GaN和氮化鎵鋁(AlGaN)層之間產生異質結構,成長異質結構因晶格不匹配而形成的晶格擠壓,額外造成壓電電極化(Piezoelectric Polarization),這兩個極化效應使得異質介面結構促使GaN的能帶(Band)朝氮化鎵鋁(AIGaN)方向自然彎曲。因此,彎曲的部分就會產生一層薄但密度高的高遷移率自由電子層,稱為二維電子氣(2-Dimensional Electron Gas, 2DEG),此二維(2D)電子氣的電子遷移率極高,因此能達到非常快的切換速度,所以將其稱為氮化鎵高速電子遷移率場效電晶體(GaN HEMT),也因為二維電子氣的特性使得元件結構中的導通電阻可以大幅降低,尤其是用來承受反向偏壓電壓的漂移區(Drift Region)所貢獻的導通電阻部分。 圖1 橫向增強型GaN HEMT的截面圖 半導體必須外接偏壓,提供足夠的電子伏特才能跨越費米能階(Fermi Level),使半導體從絕緣體變成導體,但在GaN和AlGaN接面處形成的二維電子氣讓GaN HEMT不需要外置偏壓即可導電。製程上,GaN HEMT將源極和汲極的金屬連接二維電子氣,所以GaN HEMT本身是常開型(Normal On)的半導體元件,閘極位於汲極和源極之間用來控制GaN HEMT的導通與截止。但常開型的GaN HEMT,在電源轉換器使用上會造成驅動電路的設計複雜化。 如何將常開型的GaN HEMT改變為常閉型(Normal Off)的GaN...
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分析USB認證測試(下) USB PD實體層測項了然於胸

本文會將USB-IF認證測試分為兩部分介紹:上篇為USB資料傳輸,介紹USB3.2實體層(Physical Layer)相關測項;下篇則為Type-C&Power Delivery,介紹Power Delivery實體層的認證項目。 USB PD測試規範解析 USB Power Delivery於2015年5月的USB-IF Workshop #95開始認證,到今年也已經3年。在認證籌備時期為了縮短測試時間,協會決定採取自動化測試(Automation Test),故需要一種能描述待測物在USB Type-C與Power Delivery能力的檔案,稱為廠商資訊檔案(Vendor Info File, VIF)。測試時只要將該檔案匯入儀器後即可開始測試。 另外也有兩家測試儀器廠商協助USB-IF開發相關測試項目,故在開始認證時出現一份測試規範(Compliance Test Specification),卻有兩份執行方法(Method Of Implementation),分別為MQP的Communication Engine PD Compliance MOI(最新版本為1.09)以及Deterministic PD...
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