技術頻道
- Advertisement -
5G考驗天線設計 模擬將成關鍵技術
上述三大5G應用場景中的eMBB 場景主要提升以「人」為中心的娛樂、社交等個人消費業務的使用體驗,「高速率、大頻寬、低時延」正是提高個人用戶消費體驗的關鍵。而手機終端作為使用者體驗5G的重要載體,在5G時代下面臨著新的通訊架構與設計挑戰。
5G終端天線研發面臨多重挑戰
5G已於2019年底正式進入商用,這將帶來大量資料通訊、萬物互聯、即時交互、工業物聯網等新型業務的快速發展。因此,5G儼然已經成為當前移動通訊產業的關注焦點。未來的5G系統將著眼于全頻段,即不僅局限於低頻段(6GHz及以下頻段),也將考慮毫米波頻段。而天線作為移動通訊的重要組成部分,其研究與設計對移動通訊起著至關重要的作用。
5G帶來的最大改變就是用戶體驗的革新:華為Mate30系列手機內部整合了21根天線,不僅支援5G,還要支援4G、3G、NFC、GPS、Wi-Fi、藍牙等無線技術。在這21跟天線中,5G使用了14根,這也揭示了5G新的通訊架構下,手機終端天線發展真正的技術需求。在終端設備中信號品質的優劣直接影響著用戶體驗,所以,5G終端天線的設計必將成為5G部署的重要環節之一。
3GPP把5G頻段分為FR1頻段和FR2頻段(圖1),其中FR1的頻段通常被稱為Sub-6G頻段,範圍為450MHz~6GHz,FR2頻段為24.25GHz~52.6GHz,通常被稱為毫米波頻段。毫米波頻段的優勢是具備大量的可用頻譜頻寬、波束窄、方向性好、頻段許可獲取成本低。借助于先進的毫米波自我調整波束賦型和波束跟蹤技術,可以確保在真實環境中毫米波終端與基地台實現穩健的行動寬頻通訊。
圖1 5G頻段分成Sub-6GHz與毫米波兩個群組
採用5G初級階段的NSA組網方式,5G網路與4G網路並存,而5G 設備要達到更高速、穩定、低時延等要求則依賴於以下幾個因素:
.更多頻段
.多個頻段之間的載波聚合技術
.大規模MIMO等技術
當前手機終端天線淨空普遍壓縮至2mm左右,而終端天線設計中既要兼顧sub6G與毫米波頻段的多頻段需求,又要支援MIMO天線技術,多頻帶CA技術實現場景需求,這些技術的引入都對5G手機終端設計研發提出了高難度的挑戰。
在NSA組網模式下,4G頻段天線與5G頻段天線並存;3GPP中,4×4 MIMO天線作為強制入網要求。5G終端產品內的天線數目激增,面對這麼多天線,天線效率、天線共存、天線佈局等問題亟待研究解決,天線設計面臨著重大挑戰。
其次,在5G通訊中,低頻的頻譜資源終歸是有限的,毫米波應用的潛力巨大,毫米波具有極寬的絕對頻寬,提高通道容量和資料傳輸速率的毫米波技術成為了未來5G通訊關鍵技術之一。但毫米波信號介質和輻射損耗較大,如何減少毫米波在終端內的損耗,確保毫米波更好的傳輸特性是工程師要面臨的一個挑戰。
最後,5G手機中集成多種晶片模組,CPU、射頻模組、基帶晶片、螢幕都是功耗與發熱的大戶,而5G晶片的計算能力要比現有的4G晶片高至少5倍,功耗大約高出2.5倍。並且手機的散熱好壞不僅僅影響用戶體驗,同時影響手機內部器件工作狀態,這使得5G手機的散熱技術研究面臨重大挑戰。
六大關鍵技術應對5G天線設計挑戰
為了滿足5G下行峰速20 Gbps,需要提供最大100 MHz的傳輸頻寬,為了滿足大頻寬連續頻譜的稀缺,在5G通訊中採用載波聚合(CA)來解決。但是如果發送和接收路徑之間的隔離度或者交叉隔離不足,多個頻段的無線RF信號可能會相互干擾,則CA應用中會出現靈敏度降低(Desense)問題。
所以,5G手機終端的Desense問題會比之前更為複雜,需要對Sub6G頻段與毫米波頻段共存狀態下對Desense問題根因分析,提前應對信號干擾問題。以下將介紹六種應對5G手機天線設計挑戰的關鍵技術。
模型處理與前處理
目前市面上5G手機大多採用NSA組網架構,相容4G通訊與5G通訊。相對於毫米波頻段,sub 6G頻段集中在2.5GHz—6GHz,sub 6G頻段天線和4G頻段天線調試方法類似,在當前流行的金屬邊框、全面屏手機內容易實現,天線設計形式採用PIFA天線+寄生形式,傳統的FPC天線(圖2)或者LDS天線都可以勝任。
圖2 FPC天線和支架
而在終端天線設計過程中,經常會出現跨領域協作的問題,不同領域的模型側重點和建模演算法不一致,外界導入的模型通常有面破損、線段不連續等問題,天線工程師經常耗費大量精力來對導入的結構件進行模型修復以及天線pattern建模。由於對建模要求不同,天線工程師拿到的結構模型通常無法滿足需求,需要多次跨部門多次溝通才能滿足需求,影響終端天線的設計進度。所以天線工程師迫切需要一種能快速對導入模型快速修復、建模等操作,並且不需要花太多精力去學習的軟體。
應對這種情況,ANSYS提供了前處理模組SpaceClaim來進行模型修復、修改等功能,大大提高天線工程師的開發效率。
ANSYS SpaceClaim是非常強大的幾何建模和修復處理軟體,並且提供了非常易用的中文交互介面。它基於直接建模思想,提供一種全新的CAD幾何模型的交交互操作模式,在集成工作環境中使設計人員能夠以最直觀的方式進行工作,可以輕鬆地對模型進行操作,無須考慮錯綜複雜的幾何關聯關係,並且提供了高級的實體建模、特徵編輯、裝配、分組功能。介面方面可以直接讀取主流CAD軟體模型,並支援Parasolid,ACIS、STEP、IGES等中間格式模型檔。
對於模型處理和修復,SpaceClaim能夠快速的完成對細小特徵的自動檢查、刪除、模型中面的自動抽取等,並具有一鍵式的檢查和修復功能。另外,提供的布耳運算、倒角、印痕、抽殼、抽中面以及參數化建模等功能,可以快速的説明工程師完成複雜模型向有限元模型的轉化工作。
毫米波天線設計
5G行動通訊技術中,低頻的頻譜資源終歸是有限的,毫米波應用的潛力巨大,未來運營商可以利用5G低、中、高頻段三層組網,1GHz以下頻段做覆蓋層,Sub 6G做容量層,毫米波做熱點覆蓋的高容量層,建成一張全國性的廣覆蓋、大容量的5G網路。毫米波相比於Sub 6GHz的時延更短,是Sub 6G頻段的四分之一。由於具有極寬的絕對頻寬,可在很大程度上提高通道容量和資料傳輸速率的毫米波技術成為了未來5G移動通訊關鍵技術之一。
相比於4G無線網路的寬範圍覆蓋,5G無線網路的特點是天線波束實現波束指向性,波束成型可以限制波束在很小的範圍內,因此可以降低干擾從而有效降低發射功率。多天線技術帶來了更多的空間自由度,因此使通道的反應更加精准,從而降低了各種隨機突發情況通道性能的降低。
要實現波束指向性與波束跟蹤能力,需要使用相位控制陣列技術。通過相位控制陣列可用于生成輻射方向圖及用以控制輸入信號,進而解決毫米波覆蓋問題。所以,相控陣技術,包含相位控制陣列波束成型(圖3)與相位控制陣列波束切換(圖4),對於在終端設備中採用毫米波天線的重要性不言而喻。
圖3 相位控制陣列波束成形
圖4 以相位控制陣列技術實現波束切換
而為了將毫米波相控陣天線裝進手機終端產品中,毫米波天線實現形式也有了突破。目前毫米波天線陣列的實現的方式可分為AoC(Antenna on Chip)、AiP(Antenna in Package)兩種(圖5)。其中AoC天線將輻射單元直接整合到射頻晶片的後端,該方案的優點在於,在一個面積僅幾平方毫米的單一模組上,沒有任何射頻互連和射頻與基頻功能的相互整合。考慮到成本和性能,AoC技術更適用於較毫米波頻段更高頻率的太赫茲頻段(300GHz~3000GHz)。
圖5 AoC天線與AiP天線
而AiP是基於封裝材料與工藝,將天線與晶片集成在封裝內,實現系統級無線功能的技術。AiP技術利用矽基半導體工藝整合度提高,兼顧了天線性能、成本及體積,是近年來天線技術的重大成就及5G毫米波頻段終端天線的技術升級方向。
目前毫米波天線在手機終端產品中的應用,面臨著天線性能與製程技術的挑戰。相位控制陣列天線需要進行波束掃描,天線各通道處於不同相位的狀態,高頻率毫米波經歷較高的介質、材料損耗和衰減,一系列天線元件協同工作後,通過幅相加權技術來實現波束掃描功能,通過將信號聚合形成波束,以擴展其覆蓋範圍。而相位控制陣列天線中所整合的元件,增加了終端內部的占用空間,如何保證相控陣天線性能是毫米波天線的關鍵技術。
此外,毫米波波長短,天線單元結構複雜、疊層結構、垂直對位元精度影響,就會導致較大的相位差,這就給天線毫米波元件、饋線的設計和加工帶來巨大的困難。因此,毫米波天線的關鍵技術還包括保證天線單元及相關器件的加工精度。
HFSS是功能強大的任意三維結構電磁場全波模擬設計工具,是公認的業界標準軟體,它採用有限元法對任意三維結構進行電磁場模擬,模擬精度高,可用於精確的電磁場模擬和建模,國內有廣泛的應用,它擁有功能強大的三維建模工具,能夠方便地建立任意的三維結構,支援所有射頻和微波材料,實現元件的快速精確模擬(圖6)。
圖6 HFSS中採用的模擬方法
HFSS採用了自動匹配網格剖分及加密、切線向向量有限元、ALPS(Adaptive Lanczos Pade Sweep)等先進技術,使工程師們可以非常方便地利用有限元素法(FEM)對任意形狀的三維結構進行電磁場模擬,而不必精通電磁場數值演算法。HFSS自動計算多個自我調整的解決方案,直到滿足用戶指定的收斂要求值。其基於麥克斯韋方程的場求解方案能精確模擬所有高頻性能。
HFSS中可實現天線布局設計中的參數掃描,參數優化,敏感度分析,統計分析等精細化設計的設計空間探索功能,結合高效能運算技術,能對毫米波天線進行天線性能快速優化、關鍵尺寸敏感度分析。通過敏感度分析可以分析天線性能的關鍵尺寸影響,在製造中對關鍵尺寸進行精度把控,是提高產品良率,保證產品性能的有效手段。
場路協同模擬
終端5G毫米波天線採用了AiP技術進行天線設計,整個天線內部需要將天線、射頻前端模組以及相位控制陣列結構整合封裝,封裝中天線與射頻模組的結合需要精確模擬分析阻抗匹配。
在5G毫米波的研究過程中,後端電路與天線匹配以及堆疊影響,是毫米波天線開發的關鍵技術。針對AiP天線設計,我們可以使用ANSYS HFSS + Circuit Design來進行有源天線模擬。在Circuit Design中對射頻電路進行原理圖搭建與模擬。其中,軟體中內置有全面的RF器件並且支援對HFSS中求解的3D模型的動態連結,從而能建立準確、完善的RF電路。在Circuit...
技術效能大躍進 Wi-Fi 6超新星蓄勢待發
本文的主要目標是探討未來十年Wi-Fi 6如何憑藉其主要功能、優勢和技術,取代前幾個世代的Wi-Fi。同時也將檢視採用此技術所面臨的挑戰,並針對網路和IT管理員現在該做什麼以充分利用此重大進展提出建議。
此外,本文還將檢視Wi-Fi 6和5G的關係。雖然Wi-Fi如今定義了組織網路的邊緣,且為多數的室內,甚至許多校園和公用環境中全體使用者和應用的首選存取方式,但5G行動數據的出現確實引發一些問題,這對所有的IT和網路管理員都非常重要。也許,Wi-Fi 6和5G之間的合作關係大於競爭關係,本文稍後將針對這一點提出分析。
Wi-Fi技術承先啟後
有鑑於龐大且持續成長的流量,Wi-Fi顯然是主要的室內組織(和住宅)網路連線的選項。此外,它還遍及商業(如零售)環境和許多高人口密度的室外場所。這樣的成果背後是由於IEEE 802.11工作小組持續運用無線和半導體技術的進步不斷提高標準,進而使產品持續提供現今和往後員工生產力不可或缺的成效(表1)。雖然Wi-Fi 6的核心技術很複雜,但每一代Wi-Fi所展現的進步已證明其數十年來部署於全球的價值。
即使Wi-Fi 6延續了長期以來每個新WLAN標準的傳統,也就是提升單一資料串流輸送量—例如,假設是40MHz的通道,單一Wi-Fi 6串流可較前一代標準提高原始輸送量(287vs.200Mbps)達43.5%—這也是Wi-Fi 6轉變為針對特定設施使用者共享存取的關鍵動機,以改善他們的體驗品質(Quality of Experience, QoE),並透過將整體延遲減至最低來達成目的。更高的頻譜效率(每個頻率、時間及空間單位若使用MIMO能成功傳輸更多位元數),以及該頻譜的有效和高效共用是現今達成最佳產能的關鍵。Wi-Fi 6的優勢如圖1所示。
圖1 本測試結果顯示Wi-Fi 6改善產能的能力。不像前幾代,即使流量成長,使用者的輸送量仍然維持不變
Wi-Fi 6關鍵五技術進展滿足當代需求
Wi-Fi 6延續Wi-Fi的悠久傳統,採用非常複雜的無線電和半導體技術,並將其用於低成本、小巧、節能且可靠的元件,適用於廣泛裝置和應用。Wi-Fi 6奠基在802.11n(Wi-Fi 4)首創的技術,在此情況下採用了MIMO和正交分頻多工(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM),以及額外的空間串流、多使用者MIMO(Multi-User MIMO, MU-MIMO),和802.11ac(Wi-Fi 5)的波束成形。然而,Wi-Fi...
關鍵晶圓製程技術再創新 VCSEL光輸出性能更上層樓
通常,與邊射型雷射(EEL)和發光二極管(LED)之類的替代產品相比,VCSEL的優勢在於成本低、光學效率高,以及體積小。VCSEL的優勢還包括在溫度範圍內的波長穩定性,並且可以定向集中以使輸出的效率最高。由於VCSEL是頂部發光(與LED一樣),因此可以在晶圓上對其進行測試、也可以將其與更簡單的光學器件集成並作為晶片安裝在印刷電路板上,或者與雷射、驅動和控制邏輯在同一封裝內集成。其功率輸出雖然小於EEL,但可以通過創建單個VCSEL的陣列而擴充輸出。
手機/汽車應用推動VCSEL需求
現在,許多不同品牌的高階智慧型手機,例如蘋果(Apple),三星,華為,小米和OPPO,都將VCSEL集成於3D傳感應用,用於在正面(屏幕一側)以及/或者面向外界的傳感器之中。此類移動式和消費類應用是VCSEL批量生產的最大驅動力,而汽車和工業市場的需求雖小但也在不斷增長。市場研究人員預測,未來五年,全球VCSEL市場的複合年增長率將為17%至31%。
目前推動大量研究和產品開發的另一項應用是將VCSEL用於光學雷達(LiDAR)技術中,該技術監測相對距離和移動,對於自動駕駛汽車的開發至關重要。LiDAR的工作原理與雷達類似,但是通過發送脈衝光而不是無線電波並來接收周圍的物體的反光。通過反射脈衝回到LiDAR傳感器的時間可以計算出物體的相對距離。與雷達的無線電波波長(~1mm)相比,紫外/可見/紅外光的波長更短(100nm-100~m),就可以檢測更小的物體並獲取更清晰的圖像。
VCSEL在短距離應用中效果很好,例如手機中的人臉識別或汽車中的駕駛員注意力監控。但是,由於VCSEL的輸出功率低於其他IR光源,因此在自動駕駛所需的更長距離的感測中會面臨挑戰。當以較高功率和較低波長的VCSEL進行長距離感測時,也存在着對其在人眼安全方面的擔憂。人眼安全是牽涉諸如功率、發散角、脈衝持續時間、曝光方向和波長等多種因素的複雜組合。通過使用短脈沖調整VCSEL的波長,並優化光學感測,可以實現使用低功耗VCSEL陣列(圖1)的人眼安全的遠距離感測。
圖1 VCSEL 陣列
電漿蝕刻為VCSEL關鍵晶圓製程
VCSEL是藉由分子束磊晶技術(MBE)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)製程,在基板上沉積出複雜多層結構而成。磊晶層包括產生光子的有源層,該有源層夾在兩個分佈式布拉格鏡面層(DBR)之間,該反射鏡的鏡面將光多次來回反射通過有源區域,以放大信號。每個DBR由多個磊晶反射鏡對(通常超過20對)組成,其中透過每個磊晶層的折射率和厚度的定制,可以引起光建設性干涉,從而產生所需的光波波長。
在製造VCSEL時,可透過創建光圈將電流限制在有源層的微小區域內,這可以通過對某些磊晶層進行選擇性離子佈植或氧化來實現。例如,在基於GaAs的VCSEL的情況下,AlGaAs層被部分氧化會造成光圈周圍形成非導電區域。電流集中會降低產生雷射發射的閾值電流並控制光束寬度。
交感耦合電漿(ICP)用於蝕刻形成VCSEL的垂直或錐形檯面結構。新一代VCSEL的關鍵要求是平滑蝕刻(圖2),沒有側壁損壞或任何層優先被蝕刻。不均勻的側壁會導致VCSEL側面的光損耗。使用濕蝕刻很難獲得最佳的平滑輪廓,因為濕蝕刻本質上是等向性的蝕刻,可能會導致在磊晶層中產生缺口。ICP乾式蝕刻是更具方向性的,可以進行定制以產生更平滑的輪廓。蝕刻深度的精確控制對於VCSEL性能至關重要,在批量生產應用中,使用通過雷射干涉儀或直讀光譜儀(OES)進行條紋計數即可實現精確的終點檢測。
圖2 具平滑側壁表面的錐形VCSEL蝕刻
VCSEL製造商使用電漿體增強化學氣相沉積(PECVD)來沉積最高質量的氮化矽層。最關鍵的應用是抗反射塗層,該塗層可通過腔體來最大化光輸出以來提高雷射性能。這裡,要求厚度和折射率的不均勻性盡可能達到最小。氮化矽還用於提供應力補償層,以最大程度地減少薄基板、鈍化層和硬掩模層的彎曲和翹曲性。
物理氣相沉積(PVD)技術用於沉積TiW/Au晶種層和Au,作為觸點以從器件正面提供電流或幫助散熱。也可以沉積具有定制應力特性的PVD層以補償晶圓應力,否則一旦晶圓變薄並從載體上剝離下來,就會產生晶圓翹曲。
自2016年下半年以來,半導體製造商對SPTS所提供的VCSEL晶圓處理技術需求激增。生產廠商之所以選擇SPTS的Omega蝕刻、Delta PECVD和Sigma PVD解決方案,是因為它們具有精確的製程能力、豐富的製程資料庫,以及SPTS多年為客戶提供的相關技術和產品(如GaAs RF器件和LED)的批量生產的經驗。
(本文作者任職於KLA旗下的SPTS)
改善導通損耗/控制電流分流 主動橋式整流器增供電效率
使用傳統的功率因數修正器,並採用合適的DC/DC轉換器,很容易達到80Plus Platinum的效率要求。而若要再進一步提高到如80Plus Titanium的效率,只是單獨更換功率晶體或是電感並無法達到目的。從圖1的1000W交換式電源供應器中主要功率元件損耗分布圖可以發現,無論是在85Vac或是230Vac的條件之下,橋式整流器的損耗占功率元件損耗的大部分,因此如果想要在現有的架構內有效改善電源供應器的效率,從橋式整流器下手是最直接有效的方式。
圖1 功率因數修正電路內功率元件的損耗分布
如圖2為主動式橋式整流器(Active Bridge Line Rectification)。應用方法是在功率因數修正器中的橋式整流器上並聯額外的功率晶體,利用功率晶體較低的導通電阻,降低橋式整流器的導通損耗,達到提高全機效率的目的。對於應用於主動橋式整流器的功率晶體而言,其主要要求為極低的導通電阻,即使在流過大電流的情況下,要有效降低橋式整流器的功率損耗,功率電晶體二端的電壓差必須遠低於傳統橋式整流器的順向導通電壓值,才能夠使電流盡可能地全部流過功率晶體,達到預期提高效率的目標。
圖2 主動式橋式整流器
兩解方免除能量倒流
主動橋式整流器的控制電路概念簡單,只要以市電電壓經分壓後與參考電壓進行比較,就能夠得到對四個功率晶體的控制訊號(圖3)。此種控制電路會在不同的輸入市電電壓條件下,得到不同導通寬度的控制訊號,在低電壓輸入時,導通時間短,反之亦然。
圖3 主動式橋式整流器控制概念
在傳統的PFC電路中,橋式整流器後連接的濾波電容CF在輕載會造成零交越失真,造成較差的THD值。原因是輕載條件下,濾波電容上存在一較高電壓值,當輸入電壓低於濾波電容電壓時,整流器為截止狀態,電流無法連續導通。而使用主動橋式整流器之後,AC輸入電壓低於濾波電容時,若主動橋式整流器為導通狀態,會造成濾波電容上的能量倒流回到輸入電壓端,造成電源供應器有更差的PF值/THD值及極輕載效率變差(圖4)。
圖4 輕載下,較差的PF及THD值來自濾波電容的能量倒流
可能的解決方案有二,一是只使用下橋的功率晶體(圖4的Q3及Q4),不使用上橋的功率晶體(如Q1及Q2)。逆向電流來自於濾波電容電壓對輸入電壓呈現正壓差,而此時導通的功率晶體會形成傳遞電流的路徑,使用主動橋式整流器的目的是為了改善橋式整流器的導通損耗,因此在考慮效率改善幅度滿足需求的大前提之下,可以只用下橋的功率晶體。其二,使用同步整流控制器,避免負向電流流經主動橋式整流器(圖5)。同步整流控制器的控制機制是送出控制訊號的同時,偵測同步整流功率晶體上的電壓準位,當電壓準位的數值由高減低時,預測電流可能反轉時截止控制訊號,可以避免負向電流。
圖5 採用同步整流控制器用於主動式橋式整流器
整流器控制突發模式 減少無效電流功耗
主動式橋式整流器不只應用於高效率的交換式電源供應器,對於高功率密度及改善無風扇電源供應器的零件溫升也帶來極大的進步。在外置式電源供應器中,為了減少待機功耗,無法避免受到突發模式(Burst Mode)控制。當主動橋式整流器在外置式電源供應器中的Burst Mode控制之下,又該如何解決呢?如圖6(a)所示,為未使用主動橋式整流器時的交流電壓以及流出橋式整流器的電流波型Irec,其中電流波型只有零星出現,而此時待機功耗還能符合國際規範。圖6(b)為使用主動橋式整流器時的功率晶體驅動訊號及流出橋式整流器的電流訊號,可以發現電流波型的數量變多,而且出現負向電流,從實際測試結果來看,電源供應器的待機功率也大幅度提高至將近70mW,使電源供應器的待機功率無法符合國際規範要求。
圖6 主動式橋式整流器於Burst Mode下造成的輸入電流波型
因此在具有Burst Mode控制的電源供應器裡,除了直流電源供應外,主動式橋式整流器的控制機制,必須包括Burst Mode情況下的智慧指示訊號,使主動橋式整流器在Burst Mode發生時,切斷直流電源供應,使之停止動作,減少造成無效電流及無效功耗的增加。
圖7 具有burst mode致能訊號的主動橋式整流器控制概念
主動橋式整流器計算損耗促供電效率提升
對電源供應器的設計者而言,使用主動橋式整流器的目的,不僅是減少橋式整流器的功率損耗,更重要的是從輕載到滿載,全面性地提高電源供應器的效率。計算主動橋式整流器所帶來的損耗改善,一般情況下必須先計算橋式整流器的導通損耗(圖8),整流器被等效為等效的直流電壓差VT串聯等效的電阻RD,其損耗計算公式為:
圖8 二極體的功率損耗計算公式
而功率晶體被等效為一電阻,其值為特定溫度下的導通電阻(圖9),而功率晶體的導通損耗如下:
圖9 功率晶體的功率損耗計算公式
從數學公式來看,可以將特定負載條件下橋式整流器的功率損耗減去功率晶體的功率損耗,就能夠得出效率改善的數值。然而看起來單純的計算,事實上並不容易。原因如下:
1.二極體的功率損耗被等效成為電壓差及等效電阻,然而這兩個值會隨著溫度及二極體電流而有所改變,但是二極體的製造商並沒有列出所有可能的圖型,大多只會提供25℃及150℃的曲線圖。
2.功率晶體的導通電阻隨溫度及電流變化,此外對於極低導通電阻的功率晶體而言,例如10mΩ,PCB上的寄生電阻值,容易造成難以被估算進來的功率損耗。
以實際的測試及量測結果而言,無論用何種方式計算或估測元件本身的功率損耗,都存在誤差,而且如果只探討元件本身的功率損耗值,其誤差值常常讓設計者感到苦惱。對設計者而言,計算橋式整流器及功率晶體損耗的另一個目的,是為了知道主動橋式整流器在何種負載條件下,能夠達到多少效率的提升。上述的測試結果可以利用電流條件,轉換到115Vac及230Vac系統下,不同輸入電流下的效率改善圖得知(圖10/11)。
圖10 分別使用22mΩx4、22mΩx2及40mΩx4 的主動式橋式整流器在115Vac條件下有風扇及無風扇及不同負載條件的效率改善幅度
圖11 分別使用22mΩx4、22mΩx2及40mΩx4...
高覆蓋/輕巧/低功耗 eFEM主攻通訊傳輸應用
Wi-Fi技術經過了20年的演進,為了提升其連線效率與傳輸速率,調變技術(Modulation)與無線串流數目(Spatial Steam)也有重大的改變,由於這些改變,讓整個Wi-Fi裝置的設計變得更加的複雜。舉例而言,在最新Wi-Fi 6的技術,頻率調變技術由原先的OFDM升級到ODFMA,調變也由256QAM提升到1024QAM,串流數目也從最早的1×1進階到2×2、3×3、4×4,甚至8×8,回到設計面,愈是高效率高傳輸速率的裝置也意謂著更複雜且高規格的設計,這些新的技術與變革也對前端射頻零組件帶來新的挑戰,例如更加線性的功率輸出、更低的EVM Floor、更高的效率,與更好的接收靈敏度等等。
砷化鎵Wi-Fi功率放大器優勢兼具
材料科學的突飛猛進也推進射頻零組件的進步,現今主流的獨立式Wi-Fi功率放大器製程為砷化鎵(GaAs)。由於砷化鎵有優秀高頻傳輸且具有高頻、抗輻射、耐高溫等特性,目前射頻功率放大器以砷化鎵IC所表現出的線性功率(Linearity)與使用效率(Efficiency)最為優秀,因此廣泛應用在主流的商用無線通訊設計,尤其Wi-Fi與行動通訊(3G/LTE)上,表1顯示了internal PA與external FEM的主要差異。
Power Added Efficiency(PAE)為評估無線功率放大器與設計無線傳輸系統時的一個關鍵參數,主要是針對放大器中直流電源(DC)供電能量轉換成交流(AC)射頻訊號放大的能量轉換效率。PAE不好的功率放大器,會將大部分的能量轉換為熱能,導致放大器本身的效率下降,進而影響整個通訊系統的傳輸品質。
PAE(%)的計算公式如下:
可參考Qorvo的Wi-Fi 6 2.4GHz FEM作為例子來計算PAE:
圖1 Wi-Fi前端模組示例
圖1為QPF4228在不同發射功率下所消耗的電流,其為Qorvo針對高通Wi-Fi 6企業級無線路由器平台開發的2.4GHz獨立式射頻前端模組晶片。根據技術規格書,QPF4228在3.3V供電,發射功率22dBm時的耗電流為200mA,QPF4228本身的增益為33dB,套上PAE的公式再經過一連串的單位轉換後所計算出來的結果為24%。
Power(RF_Out):QPF4228功放輸出為22dBm=158.5mW=0.1585W
Power(DC):DC Input Power=200mA×3.3V=0.66W
PAE(%)=100×(0.158/0.66)=24%
eFEM實現穩定連線覆蓋為較佳解方
愈大的Wi-Fi訊號覆蓋範圍帶來更好的使用者體驗,若要有好的Wi-Fi覆蓋範圍,就必須有更大的發射功率與更高的接收靈敏度,然而這代表整個Wi-Fi系統所消耗的功率也會增加,而功率增加的結果也連帶迎來系統散熱設計上的挑戰。必須承認,iPA為Wi-Fi裝置的開發商帶來最直接的好處就是成本優勢,如果iPA就能滿足客戶的規格與設計,那麼External FEM就顯得有點多餘。如果今天客戶所設計的產品對於連線的覆蓋範圍、外觀(精緻小巧的機構設計,如Wi-Fi Extender或是Wall Plug)與整體耗電功率(如PoE)有所要求,那麼如何選擇一個高效且穩定的獨立式FEM就是設計者的重要課題。
(本文作者為Qorvo高級行銷經理)
寬能隙半導體普及在望 電源轉換損耗再創新低
據國際能源署(IEA)估計,2020年全球電能需求的峰值將達到30拍瓦(Petawatts),未來還會持續增加。電能來源可能是化石燃料或可再生能源,但無論如何,功率轉換裝置效率對於最大程度降低成本和電能損耗至關重要。
工業馬達消耗了50%以上全球能源,但是資料中心也非常耗電,而電動車(EV)充電亦對電網造成更大的負荷。電氣化的發展趨勢,已促使「更智慧」且耗電更少的創新技術蓬勃發展,但是電源轉換相關元件也須跟上步伐,其損耗必須再創新低。寬能隙半導體(WBG)將是實現此一目標的關鍵。
功率轉換器設計者的目標,是以最高效率將來自配電系統的電力轉換為不同的直流(DC)或交流(AC)電平。出於安全或功能層面考量,可能需要電氣隔離,並且輸出電壓可能要求更高或更低。目前業界最通用的功率轉換器,大多是採用開關模式來進行電源轉換。
最原始的雙極開關技術,目前已經被矽MOSFET所取代,IGBT則仍是高電壓/高功率應用的首選。但寬能隙半導體,如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN),已成為轉換器拓撲架構中強有力競爭者。設計者通常會使用「諧振」型拓撲以獲得最佳效率,三相電橋則廣泛用於馬達控制。
無論採用何種拓撲架構,導通電阻和可能具有高瞬時值的開關轉換,都會造成損耗累積(圖1)。
圖1 在開關轉換期間,MOSFET峰值功耗可能在kW範圍內
半導體中開關損耗與每秒轉換次數成比例,因此低頻率下損耗更小。但是,開關頻率越高,電源設計者便可以使用體積更小、重量更輕且成本更低的電感器和電容器等被動元件,因此在實際中,開關頻率選擇是一個折衷方案,其開關頻率的範圍可以從馬達驅動器的數kHz,到資料中心的DC-DC轉換器的數MHz。
開關轉換期間的大量損耗,是由對元件電容(COSS)進行充電和放電所需能量(EOSS)引起。因此,EOSS、COSS以及導通電阻(RDS(ON)),都是開關元件性的關鍵參數。導通電阻與管芯面積乘積,即RDS(ON).A是總損耗的品質因數(FOM),電容及其相關開關損耗隨管芯面積減小而降低。
寬能隙材料特性擁有先天優勢
SiC和GaN等寬能隙半導體,需要相對較高能量才能將電子從其「價帶」移動到「導帶」。高能隙值會導致更高臨界鑿穿電壓和更低漏電流,尤其是在高溫下。WBG元件還具備更好電子飽和速度,從而導致更快轉換,而SiC擁有特別好導熱性。在圖2中將寬能隙特性與矽進行了比較,在所有狀況下,值都是越高越好。
圖2 寬能隙材料與矽材料的特性比較
對於給定厚度,寬能隙材料臨界擊穿電壓值比Si高10倍左右,因此SiC漂移層可以薄10倍,摻雜濃度可以是10倍。寬能隙材料與Si相較,能夠提供比Si低很多的導通電阻,並且相應降低同樣管芯面積的損耗。由於SiC具有高導熱性,所以管芯可以非常小,因而具備出眾RDS(ON).A(FOM)。圖3是在650V下SiC MOSFET、GaN HEMT單元、Si MOSFET和IGBT的RDS(ON).A比較。
圖3 在相同電壓下,WBG和矽材料之間的RDS(ON).A比較
SiC和GaN大大降低了對閘極驅動功率要求。Si MOSFET和IGBT特別需要大量閘極電荷才能有效開關。對於較大IGBT,這可能需要數瓦驅動功率,從而導致系統損耗。對於WBG元件,即便在高頻下,損耗僅是毫瓦級。
WBG元件還有其它優勢:相較矽元件,可以在更高溫度下運作,最高可超過500℃。儘管封裝限制了實際操作值,但高峰值容量顯示了可用餘量。相較矽元件,WBG閘極洩漏和導通電阻隨溫度變化也要小很多。
成本降低提高WBG元件吸引力
WBG元件成本一直高於矽,但卻在逐步降低,而連鎖式系統優勢在很大程度上抵消了這一點。例如,隨著效率提高,其他部件(例如散熱器)以及濾波器中的電感器和電容器尺寸、重量和成本也相應減小。更快的開關速度,使電源系統對負載變化的回應變得更快,馬達控制也更平滑,也讓基於WBG元件的電源系統變得更有吸引力。
總體而言,使用WBG元件帶來的優勢意味著可以將它們用於電源轉換的任何新應用,設備製造商也在不斷完善技術,從而使元件易於使用且堅固耐用,尤其是在短路和過電壓等故障條件下。英飛凌(Infineon)選擇了一種溝槽架構(圖4左),可在低閘極電場強度下實現低溝道電阻,從而提高了閘極氧化物介面之可靠性。該公司的增強型GaN高電子移動率電晶體(HEMT)元件則採用平面架構(圖4右),並且與SiC FET不同,它們沒有本體二極體(Body Diodes),使其特別適合於「硬開關」應用。GaN元件額定電壓為600V,而SiC額定電壓則為1,200V或更高,但在特定電壓額定值下,GaN RDS(ON)理論極限約比SiC好10倍。
圖4 英飛凌的SiC(左)與GaN(右) FET結構對照
意法半導體(ST)則宣稱其1,200V SiC MOSFET具有業界最高額定溫度200℃,並且在溫度範圍內具有同類領先極低導通電阻。非常快速且堅固的本體二極體避免了外部二極體需求,從而節省了馬達驅動器等應用中換向電路空間和成本。
羅姆(ROHM)在SiC MOSFET市場中也有產品供貨,其最新元件具備高成本效益和突破性能。ROHM據稱開發了業界首款具有共封裝(Co-packaged)的反平行SiC肖特基屏障(Schottky Barrier)二極體SiC MOSFET,可滿足要求苛刻的換向開關應用要求。
WBG市場上的另一家供應商GaN Systems,則專注於其獲得專利的封裝技術,從而可最大限度地利用GaN速度和低導通電阻。其「島嶼技術(Island Technology)」將HEMT單元矩陣與橫向佈置金屬條垂直連接,以降低電感、電阻、尺寸和成本。此外,該公司GaNPX封裝技術沒有引線鍵合,可提供最佳熱性能,高電流密度和低外形。
GaN市場的一家先驅公司Panasonic推出了擁有專利技術的X-GaN元件,以實現「常關」運作而不會出現GaN中的「電流崩塌(Current Collapse)」現象,這種效應源於汲極和源極之間捕獲電子在施加高壓期間可以暫態增大導通電阻,可能導致設備故障(圖5)。Panasonic閘極注入電晶體(GIT)技術能夠產生真正的「常關」 GaN元件,可用與Si MOSFET電平相容的閘極電壓來驅動。
圖5 Panasonic GaN單元不會有「電流崩塌」現象出現
WBG元件普及可期
WBG在功能層面勝過矽,當下的應用障礙只是成本、易用性和所展示的可靠性。WBG元件製造商已經在解決這些問題,並且大規模生產已成為現實,預期在所有市場領域中都有積極應用。
(本文作者任職於貿澤電子)
從大數據到智慧資料 AI演算偕感測器邁向工業4.0
既有資料處理/解讀不易
蒐集所有可能資料並儲存在雲端,待日後再進行評估、分析以及結構化,是目前各界廣泛採納的做法,但運用在從資料中擷取價值的目標上卻不特別有效。資料產生附加價值的潛力迄今仍有待開發,導致之後的階段尋找解決方案變得更加複雜。較理想的替代作法,是儘早判斷什麼資訊和應用有關聯,以及要在資料流中擷取什麼資訊。換個方式來說,提煉資料就是從整個處理鏈的大數據萃取出智慧資料,同時判斷哪些AI演算法在個別處理步驟中有較高的成功機率,這樣的決策可以在應用層面執行,而且取決於多種邊界條件,像是可用的資料、應用類型、可用的感測器模態、以及較低階實體流程的背景資訊。
在個別處理步驟中,正確處理與解讀資料非常重要,攸關是否能從感測器訊號中擷取出真正的附加價值。依據應用的種類,可能不容易正確解讀個別感測器資料,以及擷取出所要的資訊。這方面的其中一個重點,就是暫時性行為會直接影響人們想得到的資訊。此外,必須經常考量到各感測器之間的相關性。在一些複雜任務中,光是用簡單的門檻數值以及人工判斷邏輯或規則,已不足以應付當前的需求。
AI模型凸顯資料價值
相較之下,藉由AI演算法處理資料,系統即能自動分析複雜的感測器資料。透過這樣的分析程序,可獲得希望得到的資訊,而附加價值也會在資料處理鏈中和資料一起自動浮現。
作為AI演算法一部分的模型建構,基本上分成兩種不同方法。其中一種建模法是運用公式陳述資料與所要資訊之間的關係。這類方法需要有數學式形態的物理背景資訊。這些所謂的模型方法,在結合感測器資料以及背景資訊後,就能對想獲得的資訊產生更精準的結果。最常見的例子就是卡爾曼濾波法(Kalman Filter)。
倘若以數學公式型態描述資料,但無法描述背景資訊,那麼就必須選用資料驅動(Data-driven)法。這類演算法會直接從資料擷取出所要的資訊。過程中包含所有種類的機器學習方法,例如線性回歸、類神經網路、隨機森林、以及隱藏式馬可夫(Hidden Markov)模型等。
挑選AI方法通常根據目前對應用掌握的知識。倘若已經有完備的專業知識,AI就能扮演更具支持力的角色,而演算法的功用則比較初階。但若是尚未積累專業知識,那麼AI演算法的應用就複雜許多。多數情況中,這樣的應用除了會定義硬體的內涵,還會對AI演算法形成許多限制。
演算法建置近感測器降通訊/儲存成本
在每個步驟中需要的整體資料處理鏈,建置方式必須能產生最高的附加價值。建置一般都屬於整體層面,從內含有限運算資源的小型感測器,經過閘道器與邊緣電腦,一直到大型雲端電腦,顯然演算法不應只建置在單一層面。通常較有利的作法,是將演算法盡量建置在靠近感測器的位置,如此一來即可在早期階段對資料進行壓縮與整理,進而降低通訊與儲存的成本。
此外,早期從資料擷取出關鍵的資訊中,用到的較高層面全域演算法所涉及到的研發工作也比較簡單。在大多數情況中,串流分析(Streaming Analytic)採用的演算法也能避免不必要的資料儲存,進而省下資料傳輸和儲存的成本。這些演算法對每個資料點(Data Point)只會用到一次,因此會直接擷取出完整資訊,不需要儲存資料。
嵌入式AI結合感測器資料提升準確度/效率
例如亞德諾半導體(ADI)旗下以ARM Cortex-M4F處理器為基礎的微控制器ADuCM4050是一款省電的整合式微控制器系統,內建電源管理功能,以及類比與數位周邊裝置,支援資料擷取、處理、控制以及連結功能。這些特色讓它適合執行本地端處理,以及運用尖端智慧型AI演算法對資料進行早期的精確化處理。
EV-COG-AD4050LZ是一款低功耗開發與評估平台,可支援ADI旗下的感測器、微控制器以及HF收發器系列元件。EV-GEAR-MEMS1Z屏蔽元件則主要設計用來評估ADI的各種MEMS技術;舉例來說,如ADXL35x系列包括了ADXL355在內,運用於這種屏蔽元件中能提供震動校正功能、長期重複性、低雜訊性能、以及微型尺寸等特性。而EV-COG-AD4050LZ與EV-GEAR-MEMS1Z的組合,則能用在涉及震動/雜訊/溫度分析的結構健康與機器狀態監控。若有需要,其他感測器也能連到COG平台,藉由多種AI方法,並且運用多重感測器資料的融合,對當前情況提供更好的推測。藉由這種方法,即可在更好的細分度與更高的準確率下針對各種運作與失效狀況加以分類。藉由在COG平台上進行智慧訊號處理,大數據會就地變成智慧資料,而且只須把和應用有關聯的資料傳送到邊緣或雲端。
COG平台針對無線通訊納入額外的屏蔽機制。舉例來說,EV-COG-SMARTMESH1Z除了結合高可靠度與強固性,還藉由支援6LoWPAN與802.15.4e通訊協定帶來的低功耗,而支援種類眾多的工業應用。SmartMesh IP網路由高擴充性、自組網(Self-forming)的多跳點(Multihop)網狀拓撲無線節點構成,這些節點負責蒐集與轉傳資料。網路管理員負責監視與管理網路效能、安全、以及Host端應用的資料交換。在以電池供電的無線狀態監視系統中,嵌入式AI特別能實現完整的附加價值。嵌入在ADuCM4050的AI演算法能在元件內將感測器資料轉換成智慧資料,因此相較於感測器資料直接傳送到邊緣或雲端的模式,傳送的資料流以及耗電都會減少。
COG開始平台內含為此平台開發的各種演算法,已涵蓋許多種類的應用,包括監視機器、系統、結構以及流程,從簡單的偵測異常狀況到複雜的故障診斷皆能應付,同時整合包括加速計、麥克風以及溫度感測器等元件,這樣的組合還能用來監視各種工業機器和系統的震動以及噪音。流程狀態、軸承或定子損壞、電子控制元件失效、甚至電子元件損毀導致系統行為出現未知的變化,都可透過嵌入式AI偵測出來。若業界已針對特定損壞發展出預測模型,那麼這些損壞甚至能靠本地端的元件就能預測出來。藉由這種方法,便能在早期階段執行各種維護措施,防範因出現不必要的元件損壞導致系統失效。倘若尚未建立預測模型,COG平台也能協助領域專家學習機器的行為,長期下來即可推演出機器的模型,作為預測維護的參考依據。
AI演算法尚須判斷資料品質能力
理想的狀況下,透過相對應的本地端資料分析,嵌入式AI演算法應能判斷哪些感測器和特定應用有關聯,以及最適合採用的演算法,以展現平台的智慧擴充性。然而即使人類現已廣泛運用各種AI演算法,僅須簡單的建置流程就能用在不同的應用中,並執行機器狀態監控,不過目前仍須由相關領域技術專家為目標應用找出最佳演算法。
此外,嵌入式AI還具備判斷資料品質的能力,或是針對感測器以及整個訊號處理程序找出與執行最佳化的設定。若是融合多種不同型態的感測器,還可運用AI演算法來彌補某些感測器與方法的優點。如此一來,資料品質以及系統的可靠度都能獲得提升。倘若AI演算法判定感測器的分類和應用完全無關或沒有太多關聯性,系統就會截斷資料流。
例如ADI的COG開放平台內含免費軟體開發套件以及範例專案檔,協助加快硬體與軟體的原型製作、促成開發以及實現原創設計理念。透過多重感測器資料融合(以及嵌入式AI(EV-COG-AD4050LZ),可進而建構出連結智慧型感測器的強固且良好之無線網狀拓撲(SMARTMESH1Z)網路。
(本文作者Dzianis Lukashevich為ADI平台及方案總監;Felix Sawo為Knowtion執行長)
新型矽二極體元件護體 AC電源設備無懼高壓瞬變
確保產品滿足電源線瞬變的可靠性是設計的關鍵,這在產品設計過程中通常不會引起適當的關注。雖然由於高壓瞬變而導致的產品故障是外部事件,但該故障是由於設計不足以保護產品的內部電路而引起的。因此,電源線浪湧保護是確保堅固耐用的交流電源設備必不可少的要素。
浪湧保護設計防止電源產生高壓瞬變
高壓瞬變的潛在來源是天氣條件。雷電會在電源線上引起高壓和浪湧電流。由施工錯誤或交通事故引起的電源線損壞也可能導致較大的瞬變。即使沒有問題,由於高負載例如大電流負載(例如大型電動機)的掉電或斷電而引起的di/dt電流減小,也會在電源線上產生瞬變。瞬態峰值也可能是流過零線上高於正常阻抗的電流,或三相電力系統上的單相故障引起。
高壓瞬變會損壞產品,進而導致保修期內的維修失敗和客戶的不滿意。對客戶來說,解決問題可能將招致昂貴的花費;而製造商則可能會因客戶的失望導致未來業務的潛在損失。
浪湧保護是保護產品免受高壓瞬變損害的方法。瞬變可能會導致資料傳輸中的間歇性錯誤或產品永久損壞。幸運的是,有可用的元件可提供針對高壓瞬變的保護。
電源線浪湧保護設計有多種選擇,設計工程師應瞭解每種選擇的優缺點。包括過電壓保護元件,例如金屬氧化物電阻(MOV)、瞬態電壓抑制(TVS)二極體、氣體放電管(GDT)以及用於交流電的保護晶閘管或矽二極體(SIDAC)。電路保護元件製造商如Littelfuse,便生產一款產品SIDACtor。TVS二極體和MOV是鉗位型元件,而GDT和保護晶閘管是泄流型元件。在此應用中,鉗位定義為當超過元件的過電壓臨界值時,將元件兩端的電壓保持在基本穩定的水準;泄流是指超過元件的過電壓臨界值時,將電壓限制在較小的數值。泄流元件像數位開關一樣,可有效回應過壓而導通。
鉗位型元件具有更快的回應時間,但其電流處理能力有限。這些元件還具有與傳導電流有關的鉗位元電壓。當兩個元件都處於過電壓保護狀態時,由於鉗位元電壓高於泄流保護元件的保持電壓,因此對於高壓瞬變,鉗位元件的導通峰值電流較低。
泄流半導體元件降低電壓
泄流型元件可以處理更高的浪湧電流,因為當元件切換到導通狀態時,鉗位元電壓非常低。接近短路的條件將瞬態能量從產品電路中分流出去。泄流元件提供產品電路的低電壓,進一步降低了產品的壓力。
MOV和TVS元件是鉗位型保護元件,可以處理高峰值電流。MOV可以承受高達70kA的瞬態電流峰值。它們是低成本的保護元件,但它們確實具有較高截止漏電流的缺點。TVS元件不具有MOV的峰值電流容量,但具有較低的通態鉗位元電壓;而TVS元件的使用壽命比MOV元件更長,因為MOV元件會由於持續的過電壓條件而退化,進而導致元件的過度散熱。與泄流型元件相比,MOV和TVS元件均具有更高的寄生電容,當遭受高dv/dt或高di/dt瞬變時,將產生高過衝電壓。
至於GDT和SIDACtor這兩個鉗位型元件有很大的不同。當達到臨界值電壓時,GDT依靠氣體分解(Breakdown)並傳導電流;而SIDACtor是半導體元件。與MOV相似,GDT的壽命有限,這取決於氣體被電離和傳導的次數。在氣體被離子化後,會被吸附在電極上。GDT可以承受較大的峰值電流,但回應時間比SIDACtor慢得多,且無法阻止較窄的高壓瞬態脈衝到產品。
在以上四種浪湧保護元件中,SIDACtor具有交流電源線保護較佳的特性組合。它具有較長的壽命,而不受元件承受的高壓瞬變次數的影響,同時具低導通狀態泄流電壓電平和快速導通的特性。對於高dv/dt或高di/dt浪湧,它的過衝電壓最小,和低截止漏電流。表1則針對四種保護元件進行比較。
圖1顯示了SIDACtor的特性曲線。在低於最大截止狀態電壓VDRM時,其具有低漏電流IDRM。漏電流約為幾微安培。當電壓達到元件的峰值擊穿電壓VS時,元件打開並切換到低保持電壓VT。由於元件上的電壓在低電壓下短路,可以支援較大的瞬態電流,能處理5000A峰值浪湧電流的該元件被封裝在一個標準的TO-218封裝中,便於印刷電路板的布局。
圖1 SIDACtor I-V曲線,為具有關閉狀態和開啟狀態的雙極型元件
幸運的是,元件被完全保護而不受高壓瞬變的影響,僅需幾個元件。圖2顯示了用於保護產品電源電路的三元件解決方案。將SIDACtor與電源電路並聯,以提供針對交流電源線上瞬變的保護。由於與電源電路並聯,因此當交流線上沒有高壓瞬變時,該元件對產品的性能沒有影響;其具有低漏電流,在額定交流電源線電壓下僅消耗毫瓦的功率,而與其串聯的保險絲保護元件,使其免於一個或多個完整交流週期的電流浪湧影響。串聯保險絲為電源電路提供傳統的過電流保護;串聯保險絲放置在該元件電路後面,以保護保險絲免受高壓瞬變的影響。這個三元件網路為電源電路提供了過壓和過流保護。
圖2 保護網路使用一個用於高壓瞬變保護的SIDACtor、一個用於保護其免受持續過電壓狀態影響的保險絲,以及一個用於保護電源電路,免受過電流狀態影響的保險絲
圖3顯示SIDACtor對交流線路瞬變的快速回應。黑色曲線是電壓瞬變產生的高電流波形。灰線表示該元件如何快速回應短路導通,使電源達到安全的低電壓。
圖3 SIDACtor對高壓瞬變引起的電流浪湧(黑色軌跡)的回應(灰色軌跡)
結合MOV護逆變器 降低高壓瞬變影響
此外,也可以將元件與MOV結合使用,為可能被高鉗位元電壓損壞的電路提供低電壓鉗位元保護(圖4)。MOV的阻抗將瞬變後的最大電流降低至少五分之一,這會降低該元件吸收的總暫態能量,並確保其受到保護(圖5);該組合的第二個重要優點是漏電流低於MOV自身的漏電流。對於必須滿足低功耗標準的產品,在設備處於關閉狀態或待機狀態時,如何將其產生的漏電流降至最低,對於電源效率最大化至關重要。
圖4 保護網路與MOV串聯,保險絲則提供過電流保護
圖5 SIDACtor-MOV系列組合將3kA浪湧的瞬變限制為僅43.2A(灰色軌跡);黑色軌跡顯示MOV鉗位元的瞬態電壓
逆變器(圖6)是可以將SIDACtor-MOV組合用於交流電源線浪湧保護的應用。該組合可保護逆變器驅動電路,使其免受差分高壓瞬變的影響。當交流電源對零線具有相對較高的阻抗時,並聯MOV可防止零線到地線連接中的浪湧。針對由三相交流線路供電的逆變器,建議對三相交流線路的每相使用SIDACtor-MOV組合。這種保護拓撲結構也推薦用於電動汽車、混合動力汽車以及光伏逆變器。
圖6 電源逆變器電路的推薦保護網路包括用於線對線保護的串聯MOV和SIDACtor以及用於線對地保護的MOV對
有許多不同的元件可提供針對高壓瞬變的保護級別。對於交流電源線的保護,SIDACtor是較具成本效益的元件,它具有低導通泄流電壓、對瞬態事件的快速回應、壽命長,以及可承受高浪湧電流的特點。若將該元件或SIDACtor-MOV的串聯組合與保險絲結合使用,以提供過流保護,將可為產品的電源電路提供良好且簡單的保護網路。
(本文作者皆任職於Littelfuse,Teddy To為資深技術行銷經理;Walt Tian為技術支援經理;Andy Xu為資深技術支援工程師)
機器手臂布建量漸增 RMS解決管理難題
機器手臂管理系統(Robot Management System, RMS)結合聯網技術,是上述問題的解答。RMS是一套安裝在工業電腦或伺服器上的應用程式,搭配手臂控制器上的韌體,就能讓自動化工程師在遠端存取機器手臂的操作紀錄,或是修改某些設定。
從企業IT的角度來看,這類遠端存取或修改設定,甚至軟體更新等功能,已經是習以為常,甚至是天天會用到的功能,目前大多數的IT設備也都已經支援。但要在工業應用場景中實做這些遠端管理功能,有些面向是必須審慎考慮的,特別是跟設備的安全性及穩定性有關的功能。
以愛普生(Epson)近期發表的RMS方案(圖1)為例,在正式推出前,Epson就花了很長的時間在研究手臂實際應用的需求,以及如何在確保設備安全、穩定運作的前提下,讓自動化工程師能夠更有效率地管理大量機器手臂。
圖1 以RMS系統來遠端管理大量機器手臂,可有效減少自動化工程師的工作負擔
管理第一步:掌握設備狀況
要管理設備,最基本的需求是掌握設備的運作狀況。以機器手臂來說,可以進一步細分為正常運作狀態下的設備狀態監控,以及異常狀態發生時的警報功能。當設備正常運作時,自動化工程師需要定時蒐集設備的狀態資訊,包含控制器的運作狀況,以及手臂本體上的電池、馬達、減速機、皮帶、潤滑油等重要零部件的健康資訊。
不過,在設備正常運作的情況下,管理者其實不太需要這些參數的即時資料。只需定時更新數據,讓工程師掌握上述參數的變化趨勢,就已經足夠,還可以節省通訊頻寬跟資料儲存空間。只有當設備出現異常時,才需要即時的警報功能。
掌握上述實際應用需求後,Epson的RMS在狀態監控跟故障警報方面,採取兩套不同的做法。當機器手臂跟控制器正常運作時,系統的資料更新頻率為每個小一次,減少手臂與伺服器間頻繁通訊造成系統不必要的負擔,但當手臂出現異常狀況時,系統會發出即時警報,通知管理者著手處理。
另一方面,隨著設備監診跟預防性維護的觀念,開始變得越來越普及,因此Epson在設計RMS時,也已經實作重要零部件壽命預估的功能。如前面提到的馬達、皮帶、潤滑油跟減速機等零部件,透過長期累積資料跟不斷修改演算法,現在RMS系統已經可以根據機器手臂的實際運作狀況,推估出這些零部件的剩餘預期壽命(圖2),供管理者作為維修排程的參考。
圖2 RMS可以預估機器手臂內重要零部件的預期壽命,讓管理者在進行維修排程時,有更多參考資料
為了方便管理者一目了然地掌握眾多機器手臂的狀態,在RMS中,用戶可依照不同管理需求,自行替每一台手臂跟控制器定義各種群組,例如按照產線別、廠區別建立不同群組。而為了簡化RMS與現有戰情資訊系統的整合作業,RMS可支援網頁架構,以便與使用者廠區內既有的戰情系統串聯。
批次採購造成韌體版本紛雜遠端更新解難題
另一個在已經大量導入機器手臂的產線上經常出現的問題,是手臂韌體版本不一。機器手臂就像很多IT設備一樣,隨著新功能的增加,會需要更新新版韌體,但因為機器手臂屬於產線設備,製造業者在導入手臂時,通常不會一次大量採購,全面部署,而是分批採購,一個個工站逐漸導入。
這使得一條產線上常會有好幾個不同梯次採購的手臂共存,不同時期採購的機器手臂,所搭載的韌體版本也不一樣,對自動化工程師的管理、維護造成許多麻煩。特別是在產線分布在多個不同廠區的時候,在沒有遠端更新功能的情況下,工程團隊需花費更多的時間與精力管理手臂,且只能舟車勞頓地到現場一台台更新,才能維持手臂韌體版本統一,十分不便。
因此,韌體版本的遠端更新,對於已經擁有大量手臂設備的使用者而言,是一個迫切需要的功能。但從設備安全跟穩定運作的角度來看,越是方便的功能,所引入的潛在風險也越高,因此在開放這類遠端更新功能時,必須十分審慎。
以Epson的RMS為例,目前開放的遠端功能主要是韌體更新、控制器備份/設定與SPEL+專案傳送等功能,但不允許使用者透過網路直接修改設備上的SPEL+檔案內容。SPEL+是機器手臂的動作腳本,機器手臂的動作會按照此腳本的設定來進行,倘若腳本內容修改,導致產線上的手臂與其他物件,例如鄰近的手臂或夾治具發生碰撞,會有安全上的疑慮。如果工程師要修改SPEL+,通常都要先進行測試,確認安全、正確才能傳到手臂的控制器上。
安全考量不容妥協 RMS功能設計須慎重
從IT領域的角度來看,機器手臂的遠端管理功能或許很基本,甚至有些陽春。單以Epson的RMS來看,很多遠端管理功能,都是IT設備早已具備的。但機器手臂畢竟是OT(Operational Technology)設備,而非IT (Information Technology)設備,因此在開放遠端管理功能之際,如何確保機器手臂的安全(包含資訊安全及硬體安全)跟穩定運作,還是要用十分審慎的態度來應對。
但無論如何,由於產線上的手臂數量持續成長,供應商勢必要提供更有效率的管理工具給用戶,否則自動化工程師將難以應付暴增的工作量。在這個兩難情況下,Epson將會繼續努力,在確保安全無虞的前提下,在RMS上提供更多功能,簡化管理大量機器手臂所帶來的工作負擔。
(本文作者任職於Epson)
聯網/供電一兼二顧 PoE設計降耗損迎高功率
乙太網路供電(PoE)經現有乙太網路基礎設施提供靈活、可靠且安全的電源來解決這些問題,且自從2003年由IEEE首次發布以來已取得飛躍性的發展。最新的IEEE 802.3bt批准則使其成為市場上的佼佼者,透過Cat5/Cat6電纜提供10G-BASE-T和60W至90W的功率。
電源功率不斷提升 推進聯網設備規格更新
最初,Type1電源設備或PSE只能提供最高15.4W的功率,Type2增加一倍達到30W。2018年9月發布的Type3和Type4的功率分別達到60W和90W,打開啟用聯網設備世界的大門,這些設備包括無線和蜂巢式基地台、平移傾斜變焦(PZT)和監視器、電視、互動式顯示器和資訊站。單根低壓電纜同時配以專用高速通訊,使布線更少,是物聯網(IoT)和工業物聯網(IIoT)的智慧樓宇維護和安裝的理想選擇。
乙太網路供電是有線通訊和供電系統,使用現有的乙太網路為端點設備供電。在這些系統中,電源設備(PSE)經由八根電線提供電源,這些電線布置成四對雙絞線(Cat5/Cat5e/Cat6/Cat6a)電纜,採用RJ45型連接器連接到受電設備(PD)。PSE向端點提供高達57V的電壓。由於該電壓小於60V,因此符合安全特低電壓指令(SELV),使電氣安全並且不需要有資質的電工或掩埋電纜,進而簡化了安裝和維護流程。該標準將每個埠的功率限制為90W,成為乙太網路電纜傳輸的最大功率。
該標準最初定於2017年發布,在正式發布之前不斷更新,以確保與以前的版本相容。PoE最新規範的更新IEEE 802.3bt導入Type3和Type4電源設備和受電設備。為了提供更高的電流,新標準允許同時使用兩種功率模式(模式A和模式B),通常稱為四對或4PPOE,經由四對而不是Type1和Type2供電。添加的三類,即五至八類,具有改進的相互識別過程和自動分類功能。此更新還帶來更低的待機功耗,並支援10G-BASE-T和PoE。
PoE設計確保設備電源要素
設計受電設備時,要考慮許多功能,包括運作模式、PD檢測和分類。為了避免損壞非PoE的設備,PSE必須在提供電源之前檢測是否已連接受電設備。使用有效特徵檢測PD模式,並在受電設備中使用25kΩ電阻去實施。當PSE提供兩個連續的電壓(V1=2.7V和V2=10.1V)用於電阻檢測時,它記錄電流值,確定PD的存在,然後啟動為設備供電。圖1為啟動期間的電阻檢測階段。
圖1 啟動階段的波形
在分類階段,確定受電設備的最大功率要求。連接到PD的PoE控制器的另一個電阻指示功率範圍。表1顯示單特徵PD的不同類別及其最大平均功率。類別與Type不同,它涉及所連接設備的特定功率。在IEEE 802.3af/at(Type1和Type2設備)中,使用單特徵PD。IEEE 802.3bt添加雙特徵PD,其中每種模式或替代方案(A和B)使用單獨的輸入橋式整流器和PD控制器。
圖3 四對PoE功率傳輸
可選的分類擴展是自動分類。在自動分類中,PSE會測量特定時間段內連接的PD的功耗,進而可以確定PD所需的最大功率。自動分類絕不會使用雙特徵PD來實現。表1及列出新類別和類型在受電設備接收到的功率以及每種類型支援的模式。一旦檢測到受電設備並確定類別,就必須保持電源特徵。對於Type1和Type2設備,所需的最小功率特徵為10mA,工作週期為20%。為使埠保持啟動狀態,浪費至少2.31mA的平均電流。50V時能夠達到115mW,在更大的部署中很快地相加。對於Type3和Type4供電設備,工作週期降低到1.875%,這使得每個設備的功率小於10mW,進而使待機功耗降低90%。在網路上存在大量設備的聯網照明應用中,嚴格要求MPS。即使對無線回傳、Wi-Fi接入點和安防攝影機等始終聯網的設備來說,它雖非關鍵但仍是必需。
三種PoE模式實現穩定電壓輸出
功率分配分為三種模式:模式A、模式B(也稱為替代A和替代B)和四對。對於10BASE-T/100BASE-TX,在模式A下,電源與資料對1-2和3-6同時傳送。模式B由備用對4-5和7-8供電。在1000BASE-T應用(四對)中,模式A和模式B的電力也同時由四對傳輸。使用標準乙太網路變壓器的中心抽頭提取共模電壓,然後DC-DC轉換器為系統提供穩定的輸出電壓。圖2為Type1和Type2應用的模式A和模式B供電,圖3則是Type3和Type4中4對模式的接線。
圖2 模式A和模式B PoE功率傳輸
設計使用PoE的設備時,須考慮互連電纜。乙太網路的電纜長度最大為100m,具有直流電阻,同時會降低電壓並因發熱而耗散功率。5類或Cat5電纜是乙太網網路中使用的雙絞線電纜,用於在PoE網路中供電,支援高達100MHz,適用於10/100/1000BASE-T。類別6或Cat6是對Cat5電纜的改進,並支援高達500MHz,適用於10GBASE-T的乙太網路速度。
一根100m的Cat5電纜直流電阻為12.5Ω;其中Cat6的電纜每100m的直流電阻為7Ω。傳輸損耗隨著差分對中電流的增加而增加。在25W PD的典型輸入電壓為50V的情況下,電流為0.5A。這在Cat5中的傳輸損耗總計為2.5W,在Cat6中的傳輸損耗總計為1.75W,這些損耗因發熱而耗散。對於90W的設備,此傳輸損耗在四對之間共用,每對為930mA,PSE至少為52V。在Cat5中為17.30W,而在Cat6中為2×6.05W,表示Cat5對於任何應用都足夠安全。
MOSFET加強封裝 解決高功率耗損
安裝電纜時應仔細考慮布線,事先斟酌電纜長度和設備電源之間的平衡,以提高效能和降低電纜損壞的風險。受電設備控制器進行轉換,並透過附加的DC-DC轉換器調節PD側的輸入電壓。二極體橋是用於典型PoE設備的一種低成本方案,可以滿足低功率設備所需,但是隨著功率的增加,此方案開始出現問題。在25.5W,最小42.5V的情況下,估計0.6A電流流經二極體橋。每個二極體的正向電壓為0.7V,每個二極體的功率損耗為420mW。在90W的系統之中,現在的電流為3.7A,每個二極體的功率損耗為2.59W。
MOSFET方法比常規二極體橋改善導通損耗和效能。例如安森美半導體(On Semiconductor)的第一代GreenBridge系列整合雙P溝道和雙N溝道MOSFET(FDMQ8203)系列提供緊湊且熱增強的表面貼裝封裝,可以有效解決此問題(圖4)。導通損耗與MOSFET的RDS(ON)值有關。對於25W系統,在N溝道和P溝道MOSFET的RDS(ON)分別為110mΩ和190mΩ的情況下,計算出耗散功率為115mW。這是二極體電橋功耗的四分之一。在90W的示例中,3.7A的導通損耗為354mW,低至二極體方案的13%。節能的幅度看似微小,但是在使用數百個PoE感測器的大樓管理系統中,可以見到顯著的差異(圖5)。
圖4 GreenBridge方案對比二極體橋
圖5 GreenBridge FDMQ8203 Quad MOSFET方案
第二代QuadMOSFET方案(FDMQ8025A)則提供更高的額定功率、高效能的橋式整流器以及必要的門極驅動器,採用與第一代相同的小MPL 4.5×5mm封裝,和更小的RDS(ON),N通道MOSFET僅35mΩ,P通道MOSFET僅76mΩ。
圖6 NCP1095GEVB/NCP1096GEVB評估板
安森美半導體還提供PoE-PD介面控制器,多種設備都可成為相容802.3af/at和-3bt的受電設備。NCP1095和NCP1096介面控制器含在PoE系統中運作所需的所有功能,如浪湧階段的檢測、分類、自動分類和電流限制。兩個控制器採用內/外部傳輸電晶體,支援高達90W的功率,還能指示何時可以實施簡短的維持電源特徵,而附加的輔助電源檢測支援由PoE或牆式插頭供電。此外,NCP1095GEVB和NCP1096GEVB評估板使設計工程師可以快速評估兩個控制器的運作,然後實施有助於設計過程的物理設計,包括GreenBridge2橋式整流器、RJ45連接器和局域網路(LAN)變壓器。
PoE-PD整合促乙太網路供電具競爭力
IEEE 802.3bt乙太網跨供電標準為更多耗電設備打開市場,功耗的增加帶來新的挑戰,若是採用安森美半導體的PoE-PD方案來解決,該方案整合GreenBridge橋式整流器Quad MOSFET和易於實施的PoE-PD控制器。可有效降低新產品的風險並縮短上市時間,使乙太網路供電成為物聯網領域的重要市場競爭優勢。
(本文作者為安森美行銷經理)