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強化感測/思考/連結/行動力 NXP迎接全面智慧化時代

進入智慧化時代,各項科技應用都在這個前提下持續強化技術能力,元件感測、思考、連結、行動等能力的強化成為未來發展的重點,NXP近年特別專注於汽車、工業、行動裝置、通訊基礎設施等領域,希望能發展安全可靠的交通行動解決方案;整合多項技術與產品組合,推進工業與物聯網深度應用;發展行動裝置的安全支付;並強化5G通訊基礎設施技術與產品開發。 NXP近年專注於汽車、工業、行動裝置、通訊基礎設施等領域,希望能發展安全可靠的交通行動、物聯網解決方案 在智慧物聯網AIoT部分,即時智慧是近年市場發展的重點,NXP大中華區資深行銷經理黃健洲指出,過去AI的運算多透過雲端,但在某些隱私性與時間延遲敏感的應用上,希望能減少雲端運算的依賴,該公司發展邊緣閘道器(Edge Gateway),將原先的MCU產品強化控制、分析、機器學習的功能,可以進行資料即時的智慧化反應,協助AI、IoT的發展。 從產品線的發展來看,黃健洲說明,NXP以MCU產品線為AIoT應用的基礎,但是加強智慧化的功能,也可以在終端進行人臉/影像辨識與語音辨識,應用領域上可以橫跨網路邊緣與物聯網邊緣的需求。另外,在其部門與產品命名上都加入EP(Edge Processing),展現其在AIoT發展的決心。 邊緣閘道器(Edge Gateway),強化MCU控制、分析、機器學習的功能,可以進行資料即時的智慧化反應 而在5G部分,NXP則專注於發展基礎建設與設備應用解決方案,NXP Edge Processing資深產品經理張嘉恆表示,該公司的5G產品應用分成四個,包括一般基地台的無線接入網(Radio Access Network, RAN)中,射頻單元的RU(Radio Unit)與分離式單元DU(Distributed Unit),5G FWA(Fixed Wireless Access, FWA)的CPE,與小型基地台(Integrated Small Cell),主要產品為協議棧處理與基頻處理器(Baseband Processor)。 5G的商業化從2019年4月開始啟動,2020年雖然有新冠疫情衝擊,但全球各地的5G開台還是持續加溫,NXP的5G技術發展也沒有因此停下腳步,張嘉恆說,2018年6月,該公司在4G的基礎上,發表支援5G網路的功率放大器(Power Amplifier, PA)、低雜訊放大器(Low Noise Amplifier, LNA)與數位接收前端(Digital Front...
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專訪u-blox業務開發經理陳曉誾 u-blox SARA-R5模組支援5G/eSIM

Strategy Analytics研究報告指出,儘管同期中國以外的地區發展進度相對落後,但授權頻段連接的數量將大幅超過非授權頻段,預計2025年,授權頻段LPWA連接數將成長到近9億個。截至2020年第二季已有92個NB-IoT和36個LTE-M網路,NB-IoT的漫遊問題在R14版本得到有效解決,LPWA的成長性更加樂觀。 u-blox也於2019年6月正式推出自有核心並支援R14標準的SARA-R5系列LTE-M和NB-IoT模組,該公司業務開發經理陳曉誾表示,此模組以u-blox UBX-R5蜂巢式晶片組和u-blox M8 GNSS接收器晶片為基礎,可提供端到端安全性和長時期產品可用性,藉由將硬體式的信任根(Root of Trust)整合在UBX-R5晶片組裡的分離式安全元件中,可為從晶片一直到雲端的安全通訊奠定基礎。安全元件符合EAL5+的高通用標準認證,可保護敏感資產和通訊內容。 u-blox業務開發經理陳曉誾表示,SARA-R5模組以u-blox UBX-R5蜂巢式晶片組和u-blox M8 GNSS接收器晶片為基礎,可升級5G網路並支援eSIM應用 隨著行動網路業者5G網路服務持續商轉,LTE-M和NB-IoT可透過NB-IoT on NR的標準運行於5G網路。陳曉誾說明,SARA-R5也只需對已部署的裝置進行軟體升級,即可支援5G。SARA-R5系列共有兩種版本:內建u-blox M8 GNSS接收器的SARA-R511M適用於汽車、車隊管理、人或物的追蹤以及車載資通訊系統的行動應用。GNSS接收器的晶片設計包括專用的GNSS天線介面,可與蜂巢式連接協同運作。 第二個版本為SARA-R510M,經過最佳化設計,能提供可實現的最低功耗,在省電模式下,消耗的電流小於1微安。同時,SARA-R5整合了eSIM功能,可為客戶提供SIM啟動和訂閱管理的服務。
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建置成本/節能利用最佳化 資料中心功秏/效率錙銖必較

然而,最終用戶要著眼大局,更關心整個系統或製程在遵守環境義務的同時,能夠盈利的效率。他們明白,倘若所有生命週期成本都計入其中,在功率轉換過程的一個小要素,即便非常專注於降低其損耗並不一定會導致明顯整體成本節省或環境效益。 另一層面,將更多電源轉換裝置整合到更小體積(增大其「功率密度」),可以更高效地利用工廠或資料中心的占地面積,並利用現有資源和成本實現更多產出。 本文將研究相較增大功率密度和提高系統效率,提高功率密度百分點在節能、購置/處置成本和機櫃/占地面積利用率等層面的實際成本。 製造商藉提高效率 降低營運壓力 在功率電子的世界,效率是一個容易概念化的術語,100%效率為好,而0%為壞。但是,讀者必須仔細設置自身的參考基準。資料中心整體電氣效率接近0%,從電網提取的所有功率幾乎都轉換為伺服器葉片、電源和冷卻系統中電子元件中的熱量。然後,將電力的美金價值轉換為美金收入可能是1,000%的效率,大多數行業都是如此,這是所有人的期望,否則,如果讀者想節省成本和挽救地球,同時也要賺錢,真正問題是如何最小化總功耗,同時以最大限度提高生產力。 資料中心管理者完全知曉這些,他們需要面對日常壓力來提高資料處理能力和速度,同時保持盡可能低電費,並從資本投資中獲得回報。他們別無選擇,只能以增加數千瓦的功率耗散來添加伺服器,但可以演算容量增大帶來的附加價值抵消額外能源和資本成本。在工業領域,如果需要另一台100kW馬達,並用於生產更多可銷售產出,馬達驅動及其電源則是不可迴避之開銷。在所有產業中,電源是一種必須的罪惡之物,本身不會增加商業價值,其耗費的營運成本和功率都被視為降低了利潤。因此,焦點自然而然地會將注意力轉向功率電子製造商,他們需要承擔透過提高電氣效率來減少損耗的壓力。 拓撲架構重新設計以實現零損耗 功率轉換效率似乎很容易定義,人們都可以引用公式「輸出功率除輸入功率之百分比」,兩者之間差值為功率轉換器消散的熱量。問題是,如果不涉及功率水準,以及它們如何隨操作和環境條件而變化,而將效率作為轉換器比較參數,此時效率沒有任何意義。往往這會導致一些「創造性」規格,挑選出其中亮點,以展現裝置最好的部分。很少有轉換器在接近其最大額定功率時操作,因此效率通常設定為在最大額定負載50~75%左右達到峰值,並且某些曲線必須在零負載時降至零效率。在輕負載時轉換器設計可能存在高不確定性,因此在待機條件下電源功耗可能會比其他電源多一倍(圖1)。負載為5%時,A線表示轉換器功耗是B線的三倍以上,因此輕負載功耗對總能量消耗有顯著影響。 圖1 輕載時效率在同類功率轉換器之間差異很大 幸運的是,業內有一些標準可以用來規定效率曲線形狀,例如具有不同級別的「80 PLUS計畫」中,「鈦」級為最高,要求在50%負載時具備最低94%效率,在10%負載時最低90%效率,這些是用於115V系統的效率,對於230V系統,上述參數分別是96%和90%(圖2)。 圖2 80-PLUS計畫的效率目標—115V系統 這些限制很難實現。在2004年構想80 PLUS認證計畫時,在50%負載下實現最低水準80%效率已經足夠困難,但是要達到94%的鈦級則意謂著需要減少電源四分之三的損耗。效率僅提高14%,而額定功率為千瓦級的電源必須將損耗從250W降低到64W,這不能透過對現有設計進行微調來實現,因此必須對轉換器拓撲架構進行徹底重新考量。不再使用傳統二極體,轉而採用同步驅動MOSFET,相移全橋和LLC諧振拓撲架構等技術都被用來限制開關轉換期間的損耗,並且出現諸如SiC和GaN等全新半導體技術,以實現更快的開關速度但不會造成功耗損失。即便是不在市電的低階橋式整流器也已經演變成MOSFET的混合布置,這構成功率因數校正電路必要的部分。這些都需要一定成本,也有採用新技術帶來的風險。即便如此,從供需角度看,客戶和電源製造商要求在螺旋式上升,以實現更高效率,達到99%甚至更高。 追求高效率而降損耗所費不貲 隨著功率轉換效率接近100%,提高效率的難度成倍增加。從97%到98%意謂著損耗減少了三分之一,從98%到99%意謂著將損耗減少一半。在任何轉換器設計中,將損耗降低50%可能會要求設計從頭重新開始,使用更複雜的技術和更昂貴的元件是唯一途徑,而這通常是以犧牲尺寸為代價。1kW電源效率為98%時,僅消耗20.4W功率(圖3)。而要花費多少努力才能使損耗達到10.1W,使效率提高到99%?考量一下1kW的負載,將效率提高1%僅僅可以節省10.1W,但這需要多少設計工作量? 圖3 1kW功率轉換器中的損耗與效率 當然,所有節能都值得珍惜,但是更需要放寬眼界。在美國,工業用電平均價格約為每千瓦小時7美分。如果以1kW電源壽命為例,在100%正常執行時間下可操作5年或大約44,000小時,減少10.1W損耗可以節省大約31美元,而負載功率的成本超過3,100美元。更換電源會導致擁有成本、購買和鑑定費用、安裝成本以及通常與數百個元件、包裝和運輸相關的碳足跡。然後是舊裝置的處置成本,以及新尖端產品的功能風險。假設上一代電源可靠性仍然足夠,那麼與保留舊產品相較,很難看出這些相關成本與31美元的節省相比如何抵消。單純為了效率參數而追求更高效率可能是一項成本高昂的事情。 裝置縮小尺寸提高功率密度 為了降低內部溫度並提高演算的壽命/可靠性,也許有必要提高功率轉換器效率,但這僅在外殼和冷卻保持不變情況下才有效。有一個古老的經驗法則,即電子元件溫度每升高10℃,其壽命就會縮短兩倍。而依據可靠性手冊,在溫度升高10℃時,半導體元件失效率將增加約25%,電容器失效率將增加約50%。但是現代電子產品極其可靠且經久耐用,因此這些都是相對於非常長使用壽命和高可靠性而言的百分比變化。例如,從歷史上講,功率電子裝置的冷卻設置目標,是將資料中心入口處的理想溫度保持在21℃左右,但是英特爾(Intel)和其他公司的研究表明,該溫度可以適當提高,但不會顯著影響系統可靠性。APC的一項報告引用了美國供熱和空調工程師協會(ASHRAE)的預測,當入口溫度從20℃升高至32℃(68℉至90℉)時,總體裝置故障率僅增加1.5倍(圖4)。據稱,資料中心額定操作溫度每升高1℉,就可以將相關冷卻成本降低約4%,因此減小主機殼尺寸,允許包括電源在內的裝置在更高溫度下操作,可以真正節省成本,同時還可以釋放機架空間。 圖4 裝置可靠性與入口溫度關係 使較小電源在更高溫度下操作的另一推動因素,是採用以SiC或GaN材料製成的寬能隙半導體。這些元件操作溫度額定值比矽元件高很多,特別是對於SiC,允許裸晶在高達數百℃溫度下操作。 功率轉換各方紛尋最佳解 功率轉換裝置供應商可能會以特定條件下的效率規格來互相競爭,但對最終用戶而言,重要的是其製程的生產率和盈利能力。當然,籍由減少能源消耗來節省成本是一件好事情,但是透過增加機櫃中或機架上裝置功率密度,並提高每單位體積的生產率而獲得成本節省可能更具吸引力。資料中心和製造設施中的地板空間具有「美元密度」,這是為貢獻一定收入所必須達到的貨幣價值,以千美元/平方英尺為度量,因此縮小電子裝置尺寸以提供更多生產空間是實際收益。如果這意謂著在生產需要擴展時提供完整的額外機櫃,則實現的短期和長期資金節省更多。 仰仗相關的功率轉換器可實現電子裝置更高功率密度,這些促使系統架構師將功率密度視為越來越重要的指標。但是,與端到端產品電氣效率不同,整個系統的功率密度不易比較,需要包括哪些內容?在典型工業機櫃中,可能有開關裝置、連接器、安裝在主機殼底座的EMI濾波器、生成中間電壓的AC-DC轉換器、大電流匯流排、負載本地處的DC-DC轉換器、風扇及其自身電源和安裝硬體,有時甚至可能包括空調裝置。在控制機櫃中,負載可能是獨立式,也可能是馬達,在這種狀況下,功率轉換裝置體積占整個空間很大一部分,任何空間尺寸的節省都意謂著可以容納更多控制電子裝置。但是,這樣回報會減少,因為添加額外裝置總會需要更多功率。控制櫃還可能受限於使用標準化硬體,如用於裝置安裝的DIN導軌,供應商推出了越來越窄小的產品,而輸入/輸出連接器尺寸的實際應用通常定義了其最小值。現在30W AC-DC寬度已減小到21mm左右,而480W裝置寬度大約為48mm(寬)×124mm(高)。機櫃中如果包括冷卻系統,其中可能包括一系列風扇,由於入口溫度不能確定,因此功率轉換器的額定溫度通常設為在高溫氣流下操作,且沒有主機殼散熱設置。這導致功率轉換密度值相對較低,每立方英寸可能為10到20W。 POL實現資料中心電源高功率轉換 在資料中心中,功率分配系統體系架構會嚴重影響功率密度。最新趨勢是透過每個伺服器刀鋒上的負載點(POL)轉換器提供48V背板匯流排,將電壓降低至IC電平,通常低於1V。分開來看,POL可以具有令人吃驚的功率密度,每立方英寸超過1kW,但需要大量散熱片或冷卻氣流才能正常操作。48V匯流排可以來自機架AC-DC轉換器,其功率密度可能僅為每立方英寸20W左右。或者可以從外部中央電源提供380V DC,並在機架中轉換為48V。具備直流電源後,不再有交流整流和功率因數校正電路損耗,該轉換器可以達到非常高的效率,並且每立方英寸功率密度再次超過1kW(需要足夠冷卻能力)。另一個優勢是,與每個機架中的AC-DC不同,能量可以集中儲存並用於電源損耗或電力不足,而AC-DC具有很大的內部儲能電容器,占用了寶貴空間。 與工業製造中機櫃不同,資料中心負載實際是刀鋒伺服器本身,因此每個機架內部消耗功率均超過10kW。倘若要求嚴格控制的高速氣流進行主動冷卻,並保持較低入口溫度,這對於功率轉換器來說是個好消息,而由於其效率很高,僅消耗了刀鋒伺服器一部分的功率,允許使用具備最少量外部散熱(如果需要)的POL和匯流排轉換器,進而保持較高的總功率密度。實際上,使刀鋒伺服器產生的熱量遠離功率轉換器成為一個主要的考量因素。 寬能隙技術提高功率密度 功率轉換器設計人員可以透過降低開關速度來提高效率,但這會導致必須採用過大被動元件,進而使機殼尺寸變大。複雜諧振轉換器拓撲允許更高運作頻率,實現低損耗,而SiC和GaN半導體元件的到來又結合了高速度和低損耗,再次改變了遊戲規則。它們在較高溫度下可靠的操作能力可以使轉換器封裝尺寸進一步減小,進而實現更高功率密度。 追逐功率轉換效率百分點是一場收益越來越小的遊戲,除非這種改進能夠導致更小產品尺寸,進而能夠為直接增加利潤的裝置留出空間。功率密度是轉換器一個很好參數,但是應該仔細比較,並包括系統中所有元素,可以預期,製造產業中機櫃和資料中心伺服器機架之間的功率密度差異會很大。 (本文作者任職於貿澤電子)
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CEVA Wi-Fi 6矽智財獲Wi-Fi聯盟認證

CEVA日前宣布其RivieraWaves Wi-Fi 6 IP平台已獲得Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance)Wi-Fi CERTIFIED 6認證標誌的Wi-Fi IP。CEVA提供Wi-Fi 6 IP套件,範圍涵蓋適用於低功耗IoT設備的1×1 20 MHz,以及適用於高階產品,包括智慧手機、智慧電視、無線網路基地台和無線基礎架構的MIMO 80/160MHz Wi-Fi 6和6E。CEVA已經向多家半導體企業和OEM廠商提供Wi-Fi 6 IP的授權許可,用於即將推出的產品。 CEVA日前宣布其RivieraWaves Wi-Fi 6 IP平台已獲得Wi-Fi聯盟Wi-Fi CERTIFIED 6認證標誌的Wi-Fi IP CEVA副總裁兼無線物聯網業務部門總經理Ange Aznar表示,未來數年內Wi-Fi...
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台積電發表4、3奈米製程進展/3DFabric方案

日前台積公司首度舉辦線上技術論壇及開放創新平台(Open Innovation Platform, OIP)生態系統論壇,會中展示先進邏輯技術、特殊技術、三維積體電路(3DIC)系統整合解決方案、以及其設計實現生態系統的最新發展。新冠肺炎疫情期間,台積公司採用線上論壇,與客戶及生態系統夥伴們維持連繫,共計超過 5,000位註冊參與者。 日前台積公司首度舉辦線上技術論壇及開放創新平台生態系統論壇 圖片來源:台積電 台積公司總裁魏哲家表示,全球社會面臨嚴峻考驗的時刻,人們仰賴科技來彼此溝通、互相打氣,客戶的創新設計讓整個世界變得更加智慧化、更具連結性,台積公司致力於以最先進的邏輯技術、連結實體與數位世界的特殊製程組合、先進封裝技術、以及完備 的系統整合解決方案來協助客戶釋放創新。 論壇焦點包括: N5技術今年已進入量產,隨著產能持續拉升,良率提升的速度亦較前一世代快速。相較於前一世代的N7技術,N5速度增快15%、功耗降低30%、邏輯密度增加達80%。奠基於N5技術,台積公司預計於2021年量產加強版的N5P製程,速度可再增快 5%,功耗再降低10%。 此外,台積公司揭示了5奈米家族的最新成員——N4製程,N4進一步提升效能、功耗、以及密度來滿足多樣化產品的需求,除了減少光罩層來簡化製程,N4可借助5奈米的設計生態系統,順利從N5升級,並預計於2021年第四季開始試產,2022年進入量產。 展望下一世代技術,台積公司N3製程開發進度符合預期,將成為全球先進的邏輯技術。相較於N5技術,N3速度增快15%,功耗降低達30%,邏輯密度增加達70%。隨著半導體架構的創新,台積公司從5奈米往前推進了一個世代的製程。 此外,N12e製程已進入試產階段,能夠提供強大的運算效能與優異的功耗效 率,支援人工智慧邊緣運算應用。N12e將台積公司的FinFET電晶體技術導入邊緣裝置,藉由強化的超低漏電裝置與靜態隨機存取記憶體。相較於前一世代的22ULL技術,N12e的邏輯密度增加超過1.75倍,效能提升約1.5倍,功耗減少一半。做為12FFC+製程的加強版,N12e合應用於支援人工智慧的物聯網裝置,提供強大的功能執行力,例如,理解自然語言或影像分類,同時提升功耗效率。N12e也能夠支援用電池供電的強大人工智慧物聯網裝置。 台積公司亦推出3DFabric,整合三維積體電路系統解決方案,透過穩固的晶片互連打造出良好的系統。藉由不同的選項進行前段晶片堆疊與後段封裝,3DFabric協助客戶將多個邏輯晶片連結在一起,並串聯高頻寬記憶體(HBM),或異質小晶片,例如類比、輸入/輸出、以及射頻模組。3DFabric能夠結合後段3D與前段3D技術的解決方案,提供系統整合中的乘數效應。同時,3DFabric能與電晶體微縮互補,持續提升系統效能與功能性,縮小尺寸外觀,並且加快 產品上市時程。3DFabric包含台積公司的系統整合晶片(TSMC-SoICTM)技術、CoWoS技術、以及整合型扇出(InFO)技術。
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COVID-19衝擊MCU需求 市場回溫待明年

產業研究機構IC Insights近期更新其微控制器(MCU)市場預估,認為COVID-19疫情對MCU需求帶來相當明顯的衝擊,將使2020年全球MCU出貨金額比2019年下滑8%,這也是全球MCU市場規模自2018年創下歷史紀錄後,連續第二年陷入負成長。 在IC Insights所追蹤的各類晶片產品中,MCU是受到疫情影響最嚴重的產品。MCU廣泛應用於汽車、工業、商用設備、家電產品與消費性產品,單一應用市場的波動,對MCU需求的影響向來較不明顯。但由於COVID-19疫情對全球總體經濟發展受到嚴重打擊,汽車與工業市場首當其衝,因此這次MCU也難以倖免。在MCU的各類應用市場中,汽車約占四成上下,工業則占三成左右。 不過,IC Insights預期,由於疫情的影響正在逐漸淡化,MCU需求將在2021年重新回溫。以銷售金額計算,2021年MCU銷售金額可望出現5%正成長,2022年與2023年則可望再各自成長8%與11%。  
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群創展示研發火力 柔性MiniLED/免開孔手機面板有看頭

群創近日舉辦年度新品發表會,推出全球第一片在塑膠薄膜上製成的MiniLED顯示器、內建指紋感測器,支援多指紋同步辨識的手機面板,以及毋須為前鏡頭預留孔位或對面板進行異形切割的隱形相機面板等新品。值得注意的是,這些重要的技術突破,大多是活用現有產線與製程技術所得到的成果,相較於南韓、中國面板同業大力推動OLED,群創顯然以相對較低的資源投入,取得毫不遜色的成果。 台灣顯示器產業聯合總會(TDUA)於7月宣布「顯示器元件產品技術獎」 (Gold Panel Awards 2020),其中群創奪得三項大獎肯定,包括兩項「卓越技術獎」及一項「傑出產品獎」。   其中,內嵌式全屏指紋辨識顯示面板獲得卓越技術獎殊榮。該面板以群創的獨家技術,將感光元件直接內嵌至LCD基板,此項技術可達到多點全屏指紋辨識功能,而解鎖設定可從單指、多指甚至到多人同步全屏指紋解鎖,比目前市面上僅支援單點指紋辨識的內嵌式指紋辨識面板更為優異。此外,群創對電路設計與製程上也進行最佳化,大幅降低模組成本,可為使用者帶來更輕薄、更便利、更安全、更精準辨識的智慧手機。 另一個獲得卓越技術獎肯定的面板,則是6.4吋隱形相機面板。在蘋果(Apple) iPhone X帶起手機全屏設計風潮後,如何在占屏比最大化的前提下,將手機前鏡頭跟面板整合,成為讓許多手機業者挖空心思的設計課題。但因為鏡頭前不能有其他阻擋光線進入的物件或模組,因此手機業者普遍採用各種異形切割面板,例如俗稱的「瀏海」、「美人尖」、「美人痣」面板,以便讓前鏡頭能接收到外界的光線。 群創的隱形相機面板則是將透明面板技術跟標準LCD面板技術結合,在鏡頭區採用透明面板技術,讓光線得以穿透面板,進入隱藏在面板下方的鏡頭模組。但在不使用前置鏡頭時,該透明面板區域仍可正常顯示畫面,使用者幾乎看不出透明面板與標準LCD面板之間的差別。 藉由在面板上整合透明顯示面板區域,群創開發出隱形相機面板,讓手機製造商可以直接把前鏡頭模組安裝在面板下方,不必擔心鏡頭被面板遮擋,且透明面板在不使用鏡頭功能時,仍可作為顯示面板使用。 獲得傑出產品獎肯定的面板產品,則是整合了多重觸覺回饋感應器的面板模組。該面板整合2D多頻段振動觸覺回饋與3D立體微結構觸覺技術,讓使用者可感受多重回饋,如壓、振、移動等等豐富使用者的介面體驗,也讓終端產品製造商可以徹底捨棄機械式按鍵、旋鈕等傳統的人機介面元素。 至於整場新品發表會的主秀,則是群創首次對外公開的AM MiniLED顯示器。該顯示器是由低溫多晶矽(LTPS)製程在柔軟的塑膠薄膜基板上形成TFT驅動電路,再搭配MiniLED形成RGB畫素,最終構成整片顯示器。因此該顯示器不僅可撓可捲,而且極度輕薄,若安裝在冷氣出風口,甚至還會隨風飄動,故具有容易安裝、容易攜帶等現有LED燈板、可撓式OLED顯示器望塵莫及的優勢。 群創展示的各種構型的AM MiniLED顯示器。由於該顯示器是直接在塑膠膜上製作而成,因此極為輕薄,會場的冷氣吹來,甚至會隨風飄動。 群創指出,在大尺寸顯示器領域,至今僅有樂金LG曾經以OLED技術展示過可捲式(Rollable)的概念,但尚未能成功商品化,推測其可靠性及成本可能面臨巨大挑戰。而群創堅信AM miniLED作為PID公眾顯示器的先天優勢終將勝出。在量產時程方面,群創預估,該AM MiniLED顯示器在明年第一季就可以小量生產。但因為可捲式AM MiniLED是前所未有的革命性產品,因此除了量產問題之外,如何與客戶一起找到對的應用場域,展現該產品的潛力,也十分關鍵。 整體來說,群創這次發表的多款新面板產品,雖然功能、規格上有許多獨到,甚至領先同業之處,但用來實做這些產品的技術,例如透明TFT-LCD、LTPS製程,在面板產業都是相對成熟、穩定的技術。因此可以預期的是,在與市場上擁有類似規格特性的OLED面板競爭時,群創的方案將會有更漂亮的性價比。 
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「解密科技寶藏」展現科專成果 帶動產業應用創新

經濟部技術處「解密科技寶藏-未來考古」互動體驗展,即日起至8月30日在臺北花博園區流行館登場,今年以「未來考古」為主題,體驗「過去的科技,是現在的文化;現在的科技,是未來的文明」的巧妙,展出包含台語辨識、易取智慧貨架和熱電致冷晶片模組等共89項技術,展現未來科技的樣貌。 「解密科技寶藏」匯集工研院、金屬中心、資策會、紡織所、生技中心等16個經濟部轄下研發型法人,以及3家企業,展出六大戰略產業創新政策成果 經濟部技術處處長羅達生表示,法人科專已累積超過3萬筆專利暨可移轉技術資料,為求科專成果迅速擴散,經濟部決定利用"解密科技寶藏"擔任媒合的角色。開辦以來,活動已鏈結超過100家公協會、6,000家企業參與,加速科專成果產業落地;而機械工業同業公會理事長柯拔希表示,台灣多以中小型企業為主,在人力和財力方面皆有所不足,因此特別需要政府和法人的支援,讓台灣人才有更多機會嘗試中期以上的研究開發,且臺灣正站在工業4.0的浪頭上,希望藉由研發技術的技轉和擷取數位轉型升級的關鍵,掌握後疫情時代的復甦先機。 其中,台語點歌機以工研院自行研發的台語辨識技術為核心,結合台語語音喚醒、語音辨識,自然語言處理與語音合成,讓使用者能以台語輕鬆點歌。此技術預計和超商多媒體事務機(KIOSK)結合,將台語辨識系統導入語音查找功能,未來對著機台用台語說出關鍵字,將可以找到需要的服務。 動口講台語點歌機就會唱歌給你聽 工研院在邁入後疫情時代之際,研發出智慧化、自動化、低接觸的智慧零售技術「易取智慧貨架(Ubiquitous Small And Smart Market, UbiSMart)」,其結合AI人工智慧深度學習與多重感測技術,結合電腦視覺辨識、感應器資訊整合技術,達到98%高準確度辨識與追蹤,實現「拿了就走」的無人化購物情境,且各技術可單獨運作亦可組合應用,讓智慧貨架、智慧商店、物料室、倉儲管理等應用場域皆可實現智慧化與無人化。 易取智慧貨架提供消費者不需排隊結帳就可以購物的體驗 而運用在智慧鞦韆上的熱電致冷晶片模組是根據Peltier效應,對材料通入一電流,使材料內部帶電載子濃度分布改變,進而在兩端產生吸熱/放熱的反應,達到致冷與升溫的作用。此模組擁有體積小、無須動件及媒介、精確溫控(±0.1°C)和反應快速之優點,其所能降至最低-75度,可應用於有冷卻與溫度控制需求之工業系統或小型輕便設備上,例如:冷藏箱、電競設備、行動電源等,解決散熱問題。 科技鞦韆座椅暗藏材化所開發的致冷熱晶片,坐上去就能感受到溫度瞬間驟降的效果  
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五大控制設計滿足消費需求 家電馬達重省電/靜音/安全

FOC運算法節省大量電能 大幅降低馬達與壓縮機功耗仍是目前電器設計最重要的趨勢,而美國環境保護局(EPA)所推動的能源之星計畫,是此趨勢的主要推力。此一計畫評級不同各類型產品,並給予認證標籤,保證該設備在運行時每年的最高消耗能量(kWh),其中Energy Star為效能最高評級,經過多年推廣,目前這已是多數消費性產品的必備規格,而除了Energy Star之外,多數國家的相關單位也有類似評級系統。 就設計趨勢來看,目前初階家電的通常為交流感應馬達(ACIM),這類型的馬達多以變頻器(VFD)進行簡單控制。在此技術中,馬達採用三相正弦波作為繞組供電,透過改變脈衝寬度調變(PWM)工作週期控制馬達,並以工作週期變化率設定電壓與頻率(圖1)。 圖1 使用ACIM與PWM的家電 對變頻器來說,只要負載不變,就可透過恆定的電壓與頻率比率提供恆定轉矩,不過配備變頻器的交流感應馬達,其響應變化的負載與速度需求較慢,導致其效能不佳。例如洗衣機通常使用交流感應馬達,當濕衣服在滾筒中翻動,或是滾筒在攪拌循環期間變速時,交流感應馬達對可負載變化的響應往往較慢。要解決此一問題、提升效率最直接的方式,是更換設備的馬達類型,目前高階設備已開始採用新型態馬達的永磁同步馬達(PMSM),此一類型馬達的控制性更佳,但製造成本也更高。 相較於感應馬達的轉子需要使用額外電能維持繞線線圈磁場,PMSM則是在轉子中採用永磁體,因此功耗更低,在控制演算法方面,則可使用經改善過的磁場定向控制(FOC),當馬達在更寬負載與更高速度中運作時,FOC可精準控制使用能量。在控制器部分,PMSM可使用數位訊號控制器,例如Microchip的dsPIC33EV系列,可協助提升馬達效能,同時降低運轉時的噪音。 此外使用以FOC運算法的PMSM也可以節省大量電能。例如冰箱壓縮機所使用的馬達轉速極低,1分鐘僅有800轉,轉速設計如此之低的原因,是為了降低冷卻液泵的速度,讓冰箱保持冰冷,改用FOC運算法PMSM的冰箱,其使用功率降低約30%,提升此電器能源之星的等級。而根據其他研究數據,在電能轉換為轉矩部分,PMSM則可達到90%的效率。 弱磁控制提高轉速 相較於冰箱壓縮機的低轉速,其他電器像是電鑽、空調系統、排風扇等,需要高速馬達的家電便可以使用弱磁控制(Field-weakening)技術大幅提升馬達轉速。此技術是以轉子磁體遇到定子繞組電壓場,以抵銷轉子磁體中部分磁場的方式充電。當轉子對準繞組中的磁體時,將產生降低馬達的轉向阻力,這種電阻稱為反電磁力(BEMF)。透過弱磁降低反電磁力,可將馬達的最高速度從25%提高到100%,進而降低該時間點的轉矩需求。由於多數電器在高速度運作下,並不需要全轉矩,因此弱磁控制可有效提升其馬達的最高速度,達到強化運作效率的目的。 高速切換MOSFET降噪音 家電馬達控制的第三個主要趨勢是最小化噪音,多數人早已厭倦廚房家電不時傳來的嗡嗡聲。電器馬達會產生噪音有多種原因,包括電源電壓忽然下降、負載或轉矩需求突然變化導致轉子位置產生偏移,或是PWM訊號時間未與轉子位置對準,這些狀況都有可能導致轉子振動並產生噪音。 不過馬達噪音的主要來源,是接通和斷開金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)或絕緣柵雙極電晶體(IGBT)時所產生,這兩者是馬達繞組傳輸電源的大型電晶體。每當馬達啟動或關閉時,繞組中電流的突然變化抖動,都會推擠周圍空氣(與揚聲器的操作方式相同),進而產生可察覺的聲響,只要有3個馬達繞組,每秒有數千次相同動作,就會產生正常人類聽覺範圍(20~20,000Hz)的馬達嗡嗡聲。 所幸現在已有降低噪音的解決方案,而這些解決方案的效率取決於成本,而其關鍵做法都是以更高頻率切換MOSFET,並擴展PWM。雖然所有馬達控制演算法都可使用20KHz或更高的PWM頻率,以確保噪音頻率在人耳的可聽範圍之外,但由於成本因素,內含MOSFET封裝的IPM(整合功率模組),在較慢的頻率下,其售價更低,因此許多家電仍然採用以更低頻率(通常在5~8KHz)開關馬達的MOSFET。 另一種降低噪音的技術是展頻。此技術是使用隨機亂數發生器改變PWM頻率,這種技術雖然速度不一,不過不會改變PWM頻率,將此抖動加入PWM頻率中時,其噪音訊號將會變小且顯著降低。 高頻注入加速馬達 家電馬達在啟動與低轉速時,必須確定馬達內的轉子位置與定子對比。主要原因有二,首先是空調機組中泵浦與壓縮機之類的設備,馬達無法倒轉,即便只是輕微錯轉,仍會損壞泵浦。其次是鑽頭、食品加工機、洗衣機和風扇等應用,為盡快達到全速運轉,在設備啟動時,就必須得到全轉矩動力。 然而與FOC搭配使用的反饋電路(測器/觀測器),無法在零速或低速下運作。FOC被稱為無感測器技術,這代表無法從霍爾感測器、磁性位置感測器或光學軸編碼器提供轉子位置,因此FOC演算法會從3個馬達繞組取得電流回饋。但馬達開始運轉時,由於轉速仍慢,反饋電路難以產生良好讀數,等到足夠的轉速(例如50 PRM)並獲得良好電流反饋後,控制迴路就會閉合且FOC開始正常運作。 而為了在馬達啟動或低速時檢測轉子位置,目前已開發出使用高頻注入(HFI)的技術。在此技術中,轉子中的3個繞組會使用高頻PWM訊號逐一逐次通電,並且測量電流反饋訊號。比較3組測量值後,就可精準定位轉子,並應用正確的PWM訊號,在泵浦和壓縮機以正確方向啟動轉子讓馬達加速。 另一項新技術是Wind-milling,透過Wind-milling重新啟動正處於慣性運轉的馬達,可匹配當下的位置與速度,讓馬達在穩定非晃動狀態下重啟,進而降低噪音並提升馬達耐用性。此外也可以FOC最大化轉矩的方式控制馬達,此技術稱為每安培最大轉矩(MTPA),允許馬達在恆轉矩階段,閉環轉換後加快轉速。MTPA可讓洗衣機的滾筒高速旋轉,強化其脫水能力,無人機馬達可在300ms之內,讓轉速從0 RPM到30,000RPM,加快起飛速度。 MCU內建安全功能 安全性向來是馬達控制領域非常重要的設計考量,在產業中也一直往更高的產品功能安全設計方向發展(圖2),而這也代表電子零組件,也就是控制馬達的微控制器(MCU)與數位訊號處理器(DSP),需要內建符合產業規範的安全功能。像是IEC 60730B,此一規範要求在馬達啟動時,關閉MCU與DSP的PWM預設狀態,以防止馬達在啟動時產生任何瞬態故障。而未來,馬達控制設計工程師也希望拿到安全使用手冊,以協助他們了解並使用MCU或DSP中內建的所有馬達控制安全功能,這將帶來更安全的馬達驅動家電,也會讓所有消費者受益。 圖2 馬達往更高的產品功能安全設計方向發展 (本文作者為Microchip高效能微控制器部門行銷經理)  
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生理感測搭配演算法 穿戴設備結合人工智慧再升級

根據IDC統計,2020年第一季全球穿戴式設備出貨量成長29.7%,市場對於醫療科技及個人健康管理的重視帶動穿戴式裝置設計,手表、手環以及智慧眼鏡皆陸續加入心律、血氧、睡眠等監測功能,在生理保健與記錄方面越來越全面。穿戴裝置在心律測量功能後,陸續推出血氧、血壓等生理感測項目,透過光學或電流感測晶片,量測使用者的生理數據,同時提供異常狀況示警功能,有助於追蹤管理各項疾病。 作為具保健用途的穿戴產品,量測數據的精準度便是最大關鍵,在功能眾多的前提下,顧及節約耗電的需求也是一大挑戰。各家廠商為達成提升量測精準度並兼顧低功耗,無不在其晶片設計下足功夫,並且結合人工智慧(AI)演算法,透過軟硬結合的形式優化數據品質。部分ICT業者甚至進一步取得醫療認證,布局醫材市場。本文將透過探討穿戴設備量測生理數據感測元件設計,以及量測項目之發展,透析穿戴量測技術及市場之未來趨勢。 力求產品差異化 精準量測下足功夫 穿戴式產品競爭激烈,品牌商與晶片供應商看準新興的生理感測功能,希望透過提升量測項目與精準度,達到產品差異化的目的。ams大中華區總經理李定翰(圖1)提及,ams採用光學及電學感測,加上軟體演算法,蒐集不同人種的生理數據資料,提供軟硬整合的解決方案,並依照應用端需求,如登山、居家照護、健身等情境,以精準度為首要的考量來設計晶片,提供相應的感測功能。心律感測方面,ams原本使用單一的PPG感測,目前則整合進ECG心電圖,取得心律與血壓數據後,再配合演算法提供使用者心臟症狀的預警。 圖1 ams大中華區總經理李定翰提及,ams採用光學及電學感測,加上軟體演算法,提供軟硬整合的解決方案 生理感測晶片的技術核心不離光學感測,羅姆半導體(ROHM)台灣技術中心協理林志昇(圖2)說明,感測器設計過程中,不容易兼顧耗電及取樣速度。生理量測技術在取得生命徵象數值越複雜的狀況下,需要提高取樣頻率及測量次數,以增加數據的精準度,但因此面臨功耗增加、應用裝置驅動時間減少等挑戰。另外基於感測元件的待機耗電量及使用環境的雜訊考量,在穿戴設備的感測器設計上,需考量電子元件的低耗電需求,以及對抗外在雜訊干涉及濾除。而羅姆的光學式脈搏感測元件的基本原理,是藉由綠光LED量測血液中的血紅素之移動,結合演算法支援壓力測量和血管年齡測量等生命徵象數值的計算,設計高精度且低功耗的感測器。測量脈搏時的耗電量僅為0.44mA,有助於延長應用裝置的驅動時間。 圖2 羅姆半導體台灣技術中心林志昇協理說明,感測器設計過程中,不容易兼顧耗電及取樣速度 新創公司臺醫光電則由醫材角度出發,研發反射型生理訊號感測器。臺醫光電科技行銷部經理陳婷如(圖3)表示,該感測器同樣利用光學原理,於手腕位置連續測量心跳及血氧飽和度,感測血管的收縮變化,並蒐集PPG訊號,經由微透鏡及DOE鏡片調控LED發射光進入受測組織的能量分布,增強出光效率及收光強度,減少由皮膚表面直接反射的雜光,也使得耗電量大幅降低,且不易受到運動的干擾。目前臺醫光電的智慧腕表已經商用化且通過歐盟CE、美國FDA等醫療認證,期望建立自家生態系或與其他廠商策略聯盟,在台灣的智慧醫療市場中取得一席之地。 圖3 臺醫光電科技行銷部經理陳婷如表示,感測器增強出光效率及收光強度,減少由皮膚表面直接反射的雜光 ICT業者/醫材廠商各有策略 針對ICT業者與醫材廠商在穿戴式裝置感測的布局,資策會MIC產業分析師徐文華(圖4)認為,ICT產業的生理感測產品多以消費電子為主,與醫療產業的重疊度較低,不易取得合作,因此若有意發展醫療級的穿戴式產品,可能採取合作或購併形式,其中又以美國市場私人醫院盛行,比較有機會促成科技與醫材廠商的合作。另一方面,就醫材廠商而言,醫材是剛性需求,廠商多半專注研發醫用穿戴設備,並積極通過各國醫療法規。其中糖尿病偵測為熱門的研究議題,因為糖尿病是常見的慢性疾病,而傳統的糖尿病檢測需要侵入式採集血液,便有廠商開發偵測糖尿病患者體內數據的貼片,除了能夠執行連續且非侵入式的疾病監測,還可以在患者有藥物注射需求時,直接透過貼片中的針頭為病患注射。 圖4 資策會MIC產業分析師徐文華認為,ICT產業的生理感測產品多以消費電子為主,與醫療產業不易取得合作 資策會MIC產業分析師張軒豪(圖5)觀察,現在用於健康管理的穿戴裝置,常見整合PPG及ECG,並加入身體狀況的示警功能,未來可能發展體液及眼淚的量測。雖然體液及淚液的生理感測尚在研究階段,但是體液及眼淚皆帶有大量生理資訊,若結合智慧隱形眼鏡、智慧耳環等應用,且能進一步濾除環境雜訊,便能長期、連續量測使用者的生理數據,有機會在未來取代侵入式的抽血檢查。 圖5 資策會MIC產業分析師張軒豪觀察,現在用於健康管理的穿戴裝置,常見整合PPG及ECG 穿戴裝置走向專業分工智慧眼鏡具發展潛力  綜觀穿戴式裝置的定位,徐文華表示,穿戴設備的功能發展接近小型的手機,已有廠商將行動支付、通訊及語音助理整合進穿戴設備中,下一步可能會連接家電,成為智慧家居聯網的裝置之一。而感測項目方面,未來三到五年,心臟的感測仍會發展最快,體溫感測的應用也越趨多元,除了智慧手表,還可能透過貼片或耳掛式裝置測量生理數據。 李定翰補充,很多穿戴式裝置開發初期為了與其他產品競爭,在產品中不斷增加感測器的數量,走向多功能跟高度整合的設計,未來則可能發展成高度分工的產品,依照健身、登山、高齡照護、心臟病監測等,細分不同的功能取向。 智慧眼鏡也是一個穿戴應用趨勢,李定翰指出,人類判斷情況的依據70%來自視覺,結合VR/AR的視覺眼鏡前景可期。但是產品設計上須把視覺數據轉換成有用的資訊,達到精準與有效是很大的挑戰。另外,很多大廠推出智慧眼鏡後的銷售跟測試結果,在功能方面尚未符合市場預期。就使用者需求而言,應該藉由語音辨識下達指令,結合大數據與感測器,甚至有能力執行肉眼看不到的熱感測工作,用以防止流行並傳染,才能充分發揮智慧眼鏡的優勢。 現在所有廠商都在搶攻人身產品的市場,因為戴在手上的手環跟智慧眼鏡配置的位置非常獨特,手機無法取代穿戴裝置的市場定位。而穿戴感測如何跟手機相輔相成,或是把手環跟眼鏡當作擷取生理數據的一個節點,這個節點承受的項目越齊全,或是能承受的資料輸出量及感測器的能力越好的話,對於後端的處理與使用者平台的黏著度都有良好的影響。當使用者對品牌及系統的黏著度提升,便有機會塑造影響力類似蘋果(Apple)的全球品牌。
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