首頁Top區塊

由於卓越的品質因數(FOM)，工業產業正廣泛地使用氮化鎵(GaN)場效應電晶體(FET)。 GaN能讓工程師設計以幾兆赫茲運作的高頻應用，並將整體功率密度提高至先前無法達到的水準。 在這個速度範圍下，除基本產品規格之外，選擇FET驅動器時仍須適當地考慮特定因素。這些隱藏的參數可能會嚴重影響高速運作加速系統的各種損耗機制的設計。 為實現高頻應用，能夠以最大限度地減少損耗非常重要，且需要對損耗進行準確分析以確定要改進的地方。在速度較慢的開關應用中，一些損耗區域通常被忽略，其中傳導損耗主導著總體FET損耗，但在頻率較高時，典範轉變(Paradigm Changes)和開關相關損耗居主導地位。此外，許多高速應用都使用小型FET，這可能會使FET驅動器中的開關損耗成為總損耗中的一大部分。為此，本文將探討上述損耗並說明FET驅動器的選擇會如何降低這些損耗，進而將設備推向更高頻率的操作領域。 第三象限損耗影響電源轉換效率 第三象限損耗與FET閘極低(FET處於關閉狀態)時，跟從源極(Source)到汲極(Drain)傳導電流有關。在每個開關週期中，兩個FET都處於關閉狀態的時間很短，因此電感電流可能流過第三象限模式中的一個FET，這會產生與頻率、電流和時間在死時內成正比的損耗。 在高頻率和低輸入或輸出電壓下運作的轉換器中，這種損耗會大幅降低效率。例如，在工作頻率為5MHz，輸出為10A的12V至1.8V降壓轉換器中，若死時從1ns延遲至10ns會使效率降低8.5%。 為了讓損耗最小化，驅動器的低側和高側傳播延遲(Propagation Delay)失配現象必須在裝置到裝置的變化中保持穩定，包含溫度、自舉電壓、高側針腳電壓(圖1中的HS)或HS擺率(Slew Rate)，但這些考量因素有許多並未在產品規格表中測量。 為此，電源晶片商便積極推出新一代閘極驅動器以減低損耗，本文便用德州儀器(TI)旗下驅動器LMG1210做為例子。 提高設計效率須了解損耗機制 為了提高高頻設計的效率，必須瞭解以下損耗機制： ．第三象限/死時(Dead Time)損耗 ．自舉二極體反向恢復(Qrr)損耗 ．驅動COSS損耗 圖1為一個基本的半橋原理圖，特別顯示驅動器COSS和自舉二極體的位置，該二極體可能產生Qrr損耗。其中有些驅動器具備內部引導程序，而其他驅動器則具備外部引導程序。 圖1　半橋原理圖顯示了帶Qrr的驅動器COSS和自舉二極體的位置。 反向恢復損耗 死時不是受到驅動器影響的唯一損耗(表1)。儘管GaN裝置本身不具備Qrr，但如果使用二極體進行引導，則該二極體的Qrr將導致損失。如果有需要的話，使用肖特基(Schottky)或小型第三代GaN裝置作為同步引導可以消除此損耗。 一般而言，二極體的Qrr損耗取決於二極體在反轉前短暫時間內的電流。儘管陰極負載二極體中的平均電流可能非常低，但在電流流出的半橋轉換器中的二極體電壓反轉之前的死時內，突波電流可能會通過陰極負載二極體。 這種突波電流是由死時內開關節點電壓突然下降引起的，這會在自舉二極體兩端產生相同大小的正向壓降，並產生高電流。當二極體反轉時，電流的激增會導致大量的Qrr損耗。這種效應通常不會發生在升壓型轉換器中，因為開關節點在死時內不會下降。 LMG1210具備與自舉二極體串聯的開關，在低側FET導通後導通幾奈秒(Nanosecond)，並在低端 FET關閉之前關閉幾奈秒。這意味著自舉二極體在週期的死時內斷開，進而消除死時內通過自舉二極體的突波電流並減少相關的Qrr損耗。 因此，Qrr損耗現在與平均自舉二極體電流成正比，而不是突波電流；該自舉開關還可以消除自舉電壓電容器過充電現象。 圖2為具備開關節點電壓和自舉二極體電流的LMG1205的電晶體級模擬，包含兩種模擬情況：一種是LMG1205正常情況，其中自舉二極體存在於死時(以①顯示)，另一種情況是LMG1210(以②顯示)，模擬二極體在死時開始之前切換出來。如果自舉二極體沒有開關，則在死時內電流會激增至1.2A，反向恢復電流較大。 圖2　開關節點電壓(上方)和自舉電流(下方)。①是LMG1205型，在二極體反轉之前顯示電流激增；②是LMG1210型，其中引導程序在死時之前關閉。 在此模擬中，Qrr每個週期為8nC，取自高壓匯流排電源。對於在1MHz運作的48V匯流排轉換器，這是額外384mW的損耗。此一損耗、頻率和匯流排電壓成線性比例關係。此外，電流和相關Qrr的突波電流會引起開關節點振鈴(Switch-node Ring)增加。 為了在工作台上測量上述影響，配置了一塊帶有EPC EPC8010 FET的LMG1210電路板作為降壓轉換器，採用12V至6V的5MHz開關頻率，並測試了兩個自舉二極體：一個300V的P型N型(PN)接面二極體(Diodes Inc BAV3004W-7-F)和150V肖特基二極體(Diodes Inc.的BAT46W-7-F)。使用1.5A負載和5ns死時，並測量了兩種配置的功耗。一種配置自舉開關正常工作，另一種自舉開關短路，並模擬LMG1205的性能，表2列出了結果。 肖特基和PN接面二極體之間的損耗差異可能是因使用肖特基二極體(由於較低的肖特基正向壓降)和Qrr降低而導致自舉電壓增加所引起。由此可知，PN接面二極體在死時之前關閉自舉二極體帶來的益處最大，因為它受Qrr損耗的影響最大。它並未符合先前的模擬，因其具備不同二極體特性與工作條件。 LMG1205具備一個內部PN接面二極體，因此毋需旁路內部自舉電壓鉗位即可使用外部肖特基來提高性能。帶有自舉開關的LMG1210可使用較便宜的PN接面二極體和較低的電容，且仍可實現良好的Qrr損耗，或者使用肖特基二極體進一步降低損耗。 QOSS效應 半橋驅動器具備從高側驅動極到低側接地的固定電容。LMG1210具備進階的架構，可降低此電容。此外，所有驅動器都具備自舉二極體的電容。LMG1205的二極體在內部，同時作為驅動器QOSS的一部分進行測量，但LMG1210的二極體在外部。 圖3為LMG1205和新型LMG1210的隔離電容，顯示兩代驅動器之間的巨大差異。然而，LMG1210需一個外部自舉二極體，這將增加其總量。QOSS會導致額外損耗，這將在下一節中介紹。 圖3　高側到低側電容與電壓的關係 QOSS充電/放電損耗 在硬開關(Hard-switched)轉換器中，輸出電量在每次導通轉換時都會消耗在場效應電晶體中。這種損耗與QOSS、匯流排電壓和開關頻率成正比。GaN場效應電晶體的QOSS比矽低得多，進而減少每週期的輸出電量損耗，因此可實現更高的頻率。 總QOSS是FET的QOSS、驅動器、自舉二極體和電路板寄生電容的總和。由於採用矽技術，QOSS損耗主要由矽FET控制，因此幾乎不需要注意閘極驅動器的作用。當使用小型GaN FET(如EPC EPC8000系列、小於1nC的QOSS)時，閘極驅動器可能會構成損耗中的很大一部分。表3是兩個驅動器的0V~48V的QOSS，並簡單地將0V~48V整合至圖3中。 請注意，為了與LMG1205性能匹敵，可以考慮將外部自舉二極體的輸出電量增加到LMG1210。推薦的低電容二極體可能會使LMG1210的總電容增加250~800pC或更多，接面二極體通常位於低端，而肖特基二極體位於較高端。 在特定的應用中，請嘗試評估結合的驅動器和自舉QOSS與FET QOSS的比例，並盡量保持這個比例越小越好，以最大限度利用GaN的優勢。 綜上所述，許多設計人員通常會忽略上百赫茲應用的損耗機制，但對於以幾兆赫茲運作GaN的新應用來說卻變得非常重要。新一代閘極驅動器可解決這些損耗機制，並使這項新技術蓬勃發展，為使用GaN FET的未來應用帶來更多發展空間。 (本文作者為德州儀器GaN產品混合訊號IC設計工程師)

  資策會MIC資深產業分析師林柏齊 歐盟CitySDK計畫推動Open API 歐盟在Open API的發展主要為推出CitySDK(Service Development Kit)計畫，目前參與的城市包括阿姆斯特丹、巴塞隆納、赫爾辛基、伊斯坦堡、拉米亞、里斯本、曼徹斯特及羅馬，其中也包含了民間企業，研究機構以及各大學。 負責CitySDK開發與推動者，包括赫爾辛基市的數位服務部門Forum Virium Helsinki、曼徹斯特的創新實驗室FutureEverything，以及阿姆斯特丹的藝術與科技研究組織Waag Society等。 CitySDK是城市開發人員的「服務開發工具包」，目的在於協調統一城市中各式API，此計畫著力於城市的參與、行動及旅遊等三大領域，故相關API應運而生，包含Open311 API、Linked data API和Tourism API等。 上列三者API，分別用來連結不同的資料類型。以Open311 API為例，其用於統一規範公共問題回報的資料，與傳統的一對一通訊方式不同，透過Open 311規範發布的資料，在回報問題時能包含位置訊息，也可以搜尋已經提交的回報問題，並能追蹤現在的處理進度，相較於傳統回報資料過程更有互動性。 再以Linked Data API為例，則是用於介接鏈接開放數據(Linked Open Data, LOD)，主要用於像是「移動數據」，像是公車、火車、地鐵等等交通數據。至於Tourism API用來串接旅遊相關資料，像是城市之中正在舉辦的活動的資料，或是知名景點資料等等，提供市民、旅客景點搜尋等服務。 CitySDK對於城市發展的優點，在於許多開發者對於城市發展有許多的好想法，提供標準化的API，可以使其大幅減低開發時間，各個城市之間有統一性的規範時，也可以使得進步可以快速擴張。 值得一提的是，由於阿姆斯特丹是CitySDK計畫中，各項API的第一試點城市，因此大多數的示範案例皆是用荷蘭或是阿姆斯特丹市現有的成果展現，其他的參與城市即是利用荷蘭的案例，複製試點而成。 然而，CitySDK在發展過程中也遭遇了一些挑戰。例如，統一城市間溝通資料的共通標準是一個棘手的問題，若試圖要跨不同國家或城市來統合這些城市應用服務時，需要共同完成這個目標，往往需要冗長的流程及多人參與，故建立夠用的語意標註和說明將是一個權衡下的替代方式。 ．案例一：赫爾辛基市民事件回報應用FixMyStreet FixMystreet為赫爾辛基市所推出的開放式問題報告API，係利用CitySDK推出的市民事件回報API所設計，當街道有破損、路面坑洞，或是路標指示牌故障、塗鴉時，便可以透過這個回饋型的API回報。該服務在2012年3月啟用，由標準化Open311技術提供支持。 ．案例二：里斯本旅遊指南Spot-in-Lisbon CitySDK Tourism API由負責里斯本試點的團隊開發，自2013年5月以來已公開發布，介接里斯本市政府收集的數據。該API已被芬蘭開發者用於創建Spot-in-Lisbon，這是一款Android應用程式，為里斯本市提供旅遊指南，允許用戶通過類別搜索本市提供的興趣點(Points of Interest,...

在資料中心、車用電子、工業等眾多應用驅動之下，全球能源使用量大增，如何有效提高能源使用效率，已是產業界共通的發展課題。為此，德州儀器(TI)將從工業自動化、能源效率、功率密度、分散式與再生能源，以及大數據儲存與傳輸等五大面向著手，透過各種創新技術，提升能源管理效率。 在工業管理方面，TI指出，工業自動化能夠提升產能及製造效率，但安全疑慮也隨之而來，自動化工廠內常設有沉重又龐大的機器設備，需要高電壓操作，為工廠操作員帶來困難與危險。因此須採用隔離技術，讓感測節點和操作員在高電壓環境下，仍能有效且安全地工作。 而隨著大數據和人工智慧興起，全球對快速存取資料的需求與日俱增，儲存與取得資料所需的能源也隨之攀升，如何管控相關成本及對環境所造成的影響將成為一大挑戰。 TI表示，資料中心的雲端儲存/運算需求增加，導致其耗電量也因而提高；預估至2020年，資料中心的耗電量將突破730億度，相當於超過千萬戶的家庭用電。換言之，資料中心存放的資料愈多，冷卻所需的能源便愈高，對電網造成的負擔也會愈大。 也因此，全球對於提高發電與配送能源的需求顯而易見，如何實現高效率的能源轉換已成當務之急。因此，新材料和新技術趁勢崛起，像是運用共振與混合式DC-DC變壓器等新技術，達到尺寸縮小、效能提升、升溫減少等目標；再結合演算法，便可減少系統閒置時所需耗費的電力，壓低能源需求。或是運用氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)等新興功率半導體，實現高電壓、高效能、小尺寸目標。 另一方面，隨著半導體技術導致功能增加後，也帶動能源需求提升。TI指出，而在電池容量與效能成長之際，功率密度也須跟著提升，才能增進使用者體驗。 德州儀器工業系統解決方案應用經理孔令梅表示，工業自動化、大數據儲存與傳輸及分散式再生能源等應用興起，市場對於電源設備的效率和功率密度更加要求，該公司也持續推出創新參考設計，如新一代主動鉗位反馳式控制器UCC28780和LLC諧振控制器UCC256301等，滿足工廠電源傳輸設備、UPS、通訊與伺服器電源、DC-DC設備、無人機電池組等應用需求。

機器視覺若要擴大在工業中的應用，3D機器視覺是重要發展方向之一。不同於2D機器視覺，3D機器視覺加上了深度的量測，應用範疇便能增加許多。要做到3D機器視覺有許多不同的技術方式，製程自動化機器視覺系統開發商康耐視(Cognex)便於近日發表了最新的雷射掃描與雙鏡頭3D機器視覺解決方案，以因應最新的產線需求。 康耐視資深應用工程師陳元得表示，以雷射線掃描技術實現的3D機器視覺而言，最常遇到的局限是必須在掃描精度與速度之間取捨，無法兩者兼具。因此，該公司於今年推出了新品DSMax雷射位移感測器，以雷射線掃描做到3D機器視覺感測，並期盼能同時兼顧業界所需的量測精準度與作業速度。 陳元得進一步說明，DSMax在正式推出之間便已與三星(Samsung)合作許久，針對消費性電子產品的組裝需求研發。該方案能做到20KHz掃描速度與2K解析度圖像的感測器，同時其採用單幀高動態曝光技術(HDR)，因此非常適合用於量測與檢測物件。例如，在智慧型手機生產線上組裝時，能用來檢測元件周圍的預留空間是否足夠，以保護電器使用時的安全。 另一方面，康耐視同時也推出了雙鏡頭解決方案--ES-A5000系列面陣掃描3D攝影機。陳元得表示，能快速取得影像並判斷方位是雙鏡頭3D機器視覺的最大優勢，因此該技術多是落實在機器手臂的引導應用之中。該產品亦推出了各種不同的解析度規格，以符合各類業者需求。  

隨著全球能源結構朝向低碳能源和節能運輸轉移，節能汽車產業亦正面臨著挑戰。如今，整個電動汽車(EV)市場的成長率已經超過傳統內燃機(ICE)汽車市場成長率10倍。 預計到2040年時，電動汽車市場將擁有35%的新車銷量占有率，對於一個開始大量生產不到10年的市場而言，如此的新車銷售市占是引人注目的。 隨著整個汽車產業從基於機械之系統朝向數位統轉變，與電池、電子系統及系統元件創新相結合的經濟規模，對電動汽車的成長發揮了相當重要的作用。電動汽車製造商和設計人員青睞於數位設計，而市調機構Canaccord Genuity預計，到2025年時，電動汽車解決方案中每台汽車的半導體構成部分將增加50%或更多。 本文將探討氮化鎵(GaN)電子元件以及一部分碳化矽(SiC)，在不增加汽車成本的條件下如何提高電動汽車的功率輸出和效能。 增加功率為電動車首要任務 電動汽車類別通常包括純電動車(BEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)，也可以包括混合動力汽車(HEV)。儘管該類汽車更依賴內燃機而非電動推進系統，考慮到開發混合動力汽車所需的電子元件數量，本文將混合動力汽車界定為電動汽車的範圍。 電動汽車產業鼓勵創新電氣系統的設計和開發，以取代以往的機械系統，例如： ．空調機組：向無刷直流或三相交流電機驅動壓縮機轉移。 ．真空或氣動控制：向電子控制模組(ECM)轉移。 ．線控驅動(DbW)系統：向高功率機電執行器轉移。 ．停車制動器：向電動卡鉗轉移。 ．驅動輪系統：向端到端電氣化轉移。 邏輯上，這些系統需要電子零件，包括眾多半導體元件。有鑑於先進的電池管理技術，還將有更多的半導體介面不斷湧現。上述系統通常依靠由12V電池供電的電路中的中低壓矽(Si)MOSFET(≤150V)。目前業界正透過更高電壓電池(24V和/或48V)來替代12V電池，以適應更高的電力需求，而不增加電線線徑及布線成本；此替換過程同時也減少了銅線的重量，提高了驅動效率。 到目前為止，驅動輪電氣化還要求汽車擁有第二個250V~450V高壓(HV)電池以及配套電子設備，原因在於預計未來電池電壓將升高，這將需要更新更先進電子設備。 突破成本效益有助電動車普及 相較於傳統內燃機汽車，這一點更為明顯。對於電動汽車而言，每一點重量都很重要。太重會降低產品使用壽命和消費者體驗品質，而且與任何產品一樣，成本控制(理想情況下/降低成本)仍然是重點所在。即使設計中增加了新功能，整體系統成本也必須順應市場對價格的壓力。 所有這些新系統的推出，大幅增加了半導體和其他電子產品的數量以及所需的電池功率，理論上，這意味著更多的重量和更高的成本。一般而言，隨著匯流排電壓的增加，矽電晶體開關的成本會更高，這與汽車電氣化的要求是相對的。此外，一些新的車載系統的性能需要超多數量的矽元件，進而增加了系統規模、重量和成本。 實質上，新型電動汽車系統難以支援HV Si MOSFETs、IGBTs和Superjunction等現有半導體技術。相反的，該產業正在轉向功能強大的寬能隙(WBG)技術，包括SiC和矽基氮化鎵(GaN-on-Si)，這兩種突破性技術都在電動汽車市場中占有一席之地(表1)。 與Si IGBT相比，SiC提供更高的阻斷電壓、更高的工作溫度(SiC-on-SiC)和更高的開關速度。這些功能對於牽引逆變器來說是最佳的，因為它們需要間歇性地將大量能量傳輸回電池。與此同時，矽基氮化鎵開關為從低kW到10kW寬範圍的供電系統帶來益處，即交流到直流板載充電器(OBC)、直流到直流輔助功率模組(APM)、加熱和冷卻單元等。 氮化鎵的魅力在於其擁有超越矽的幾個屬性。氮化鎵提供更低的開關損耗；更快的速度，類似RF的開關速度；增加的功率密度及更好的熱預算。此外對電動汽車尤為重要的是，可降低整個系統規模、重量和成本。 氮化鎵還能夠讓工程師利用這些屬性建構系統，像是無橋式圖騰柱(Totem-pole)功率因數校正(PFC)。隨著圖騰柱PFC系統功率需求的增加，氮化鎵的益處也隨之增加(圖1)。總而言之，氮化鎵提供更低的開關損耗、更快的開關速度、更高的功率密度、更佳的熱預算，進而提高電動汽車的功率輸出和效能，且降低了重量和成本。 圖1　傳統升壓CCM PFC對比採用GaN的無橋式圖騰柱PFC 汽車電氣化須保證品質 汽車產業朝向汽車電氣化的轉變，不僅改變了所用技術的類型，而且對汽車供應商進行了重新定義。傳統的一級供應商從製造機械系統開始，而不是從電氣系統開始，雖然這些傳統公司已經開始針對需求開發電氣系統，但是人們對更智慧、更具創新性的電氣化的需求卻為非傳統供應商帶來了機會。 車載電力轉換系統最簡單的形式為基本的交流到直流、直流到交流以及直流到直流轉換器。這些轉換器廣泛應用於當今眾多市場和應用中，包括電源、電信和非機載電池充電器。 將這些系統提供給汽車行業對交換式電源(SMPS)原始設計製造商(ODM)來說，是一項簡單且合乎邏輯的市場拓展，這些製造商也很渴望填補汽車市場不斷擴大的需求缺口。事實上，鑑於先進的電氣系統(特別是使用氮化鎵的電氣系統)需要花費數十年來開發大量專業技術，這種新的採購理念是大勢所趨。 汽車業受到高度監管，通常須要採購可查來源元件才能達到最佳的品質和可靠性，以此證明其性能滿足汽車電子委員會(AEC)產業標準。SMPS ODM需要置身於滿足這些標準的先進半導體元件和主動元件的供應商網路中。 對於氮化鎵來說，在更關鍵的電子子系統之一，符合AEC標準的元件已經存在，即配對的電源開關元件和閘極驅動器。為此，電源供應商Transphorm便提供了一款汽車級AEC-Q101認證的GaN FET，其採用TO-247封裝，導通電阻為49mΩ。相較於矽技術，這些電晶體具備所有主要的GaN優勢：開關速度最大可提高4倍，降低電壓和電流交叉損耗；功率密度最高增加40%；以及降低了整體系統規模、重量和成本(度量取決於應用)。 雖然Transphorm的FET可與大多數現成的閘極驅動器配對，但SMPS ODM和一級供應商可以使用半導體業者如Silicon Labs的隔離式半橋閘極驅動器來構建系統，這些驅動器符合AEC-Q100標準，符合汽車半導體元件的標準品質和文件要求。高壓氮化鎵電源在電源行業有些獨特，如前所述，氮化鎵元件以射頻速度開關，比現有的電力電子開關速度快得多。有鑑於此，具備高共模瞬變抑制(CMTI)的高效閘極驅動器對優化GaN FET的性能至關重要，為此，驅動器的CMTI規格最低可為200kV/μs。 氮化鎵實現更低能源損耗 氮化鎵材料的節能特性和處理高電壓操作的性能不會導致功耗下降，進而為設計人員在將來設計電動汽車時提供了決定性優勢，這包括更低的開關損耗、更快的開關速度、更高的功率密度、更出色的熱預算，並進一步降低重量和成本。除了電動汽車市場之外，基於氮化鎵的電子產品也為進一步降低資料中心和消費類設備的功耗提供了良機。電動汽車的設計者自從市場形成以來就已經實現了前所未有的創新，隨著汽車不斷的數位化，未來將會出現更多變化。未來的電動汽車將更酷、更快、更小，為駕駛者(和自動駕駛員)帶來驚人的性能提升，同時實現更低的能源消耗。 (本文作者為作者John Wilson為Silicon Labs資深產品經理，Philip Zuk為Transphorm技術行銷資深總監)  

人類文明正在朝全面電氣化的方向邁進，未來人們食衣住行育樂對電力的依賴將只增不減。電動車、電動機車等交通工具的全面電氣化，只是這個大趨勢的一部分，但對馬達相關應用業者來說，光是電動載具所帶來的商機，就已大到難以估計。 機會與挑戰總是相伴而生，在全面電氣化的社會裡，馬達應用將無所不在，但對相關應用開發商來說，如何降低開發成本、加快開發速度，以滿足更多變的市場需求，是最大的挑戰之一。唯有半導體業者、模擬工具商與馬達製造商攜手合作才能克服。 實現驅控一體設計　FPGA功能整合發威 安馳科技專案經理李冠民(圖1)指出，傳統上，馬達系統的控制跟驅動是分開的，控制的任務是由可編程邏輯控制器(PLC)來負責，驅動則由電力驅動單元(Electric Drive)來執行。但隨著半導體技術進步，晶片的整合能力越來越強，現在馬達系統的驅動跟控制已可以用單一晶片來實現。 圖1　安馳科技專案經理李冠民指出，新一代FPGA的整合能力，讓馬達驅控一體設計成為可能。 以賽靈思(Xilinx)推出的Zynq 7000 SoC為例，該元件跟傳統的FPGA有很大不同。傳統FPGA只提供大量邏輯單元，但Zynq 7000除了邏輯單元外，還有Cortex-A9核心、每秒取樣率達100萬次的12位元類比數位轉換器(ADC)等硬體單元。有了這些硬體單元，加上賽靈思提供的開源參考設計，開發者可以輕鬆實現驅控一體設計。 李冠民分析，驅控一體設計對馬達應用開發商來說，最明顯的好處在於設計更為簡化。以工業領域的馬達應用為例，以往的驅動控制板都採取多晶片設計，最基本款的控制板會使用中央處理器(CPU)搭配數位訊號處理器(DSP)的設計架構，高階版本則是CPU、DSP再加上FPGA，這使得控制板的設計跟走線變得十分複雜。但內含Cortex-A9核心的Zynq 7000可以直接取代CPU跟DSP，加上其本身具備的可編程邏輯資源，開發者還可額外針對某些算法實現硬體加速。 除了簡化設計外，對於某些對可靠度十分注重的馬達應用，以FPGA來實現其驅動控制，還可帶來一個額外的好處--滿足功能安全標準的需求。 首先，賽靈思的FPGA元件跟相關開發工具，在設計過程中，就已經滿足了IEC 61508-2010/ISO 26262-8-2011等國際標準對功能安全的需求。其次，FPGA內的邏輯資源也可以用來增加系統的功能安全，例如用邏輯資源來實作另一個異質架構的處理器，讓該處理器跟Cortex-A9的運算結果彼此參照，可進一步確保FPGA輸出的控制命令是正確可靠的。 李冠民總結說，對使用者來說，FPGA最大的優勢跟價值還是在靈活。因為可編程邏輯資源讓開發者可以視其需求來運用，不管是要提升功能安全或做演算法加速，或是有其他功能需求，都可以藉此實現。而FPGA難以開發的缺點，在近幾年也有很大的改變。現在賽靈思提供的開發環境比以往更友善，而且賽靈思本身也提供更多參考設計平台跟程式範本，讓使用者不用從零開始設計。這些都有助於推動FPGA在馬達應用上更加普及。 專家系統進駐MCU　馬達驅動開發更省力 除了FPGA之外，微控制器(MCU)在馬達驅動/控制應用中，也是十分常見的選擇，且由於其成本相對低廉，因此其應用範疇更廣。從洗衣機、冰箱等消費性電子，到工業馬達、車用馬達等領域，都能看到MCU的蹤影。隨著馬達技術不斷翻新，MCU進化腳步也不曾停歇。 恩智浦半導體(NXP)大中華區微控制器事業部市場經理李唐山(圖2)表示，馬達應用的種類非常多元，從家電、無人機到工業、汽車，都會用到馬達。這也意味著馬達本身就是一種多元化的產品，其對應的驅動、控制需求也是五花八門。作為MCU供應商，對應的解決方案數量當然也不會少。 圖2　恩智浦半導體大中華區微控制器事業部市場經理李唐山表示，馬達應用琳瑯滿目，適用的MCU解決方案也有所不同。 目前恩智浦旗下共有KV、DSC、KE與i.MX RT四大類MCU可以應用在馬達驅控上，各自有不同的目標市場。KV是內建ARM核心的MCU，並具有各式各樣的週邊跟介面，能滿足大多數馬達驅控需求；DSC則是原飛思卡爾(Freescale)的產品線，以DSP為基礎，主要面向高性能馬達驅控市場；KE則是以高性價比為主要訴求，具有眾多GPIO跟大容量Flash，鎖定通用型的馬達控制。i.MX RT的定位則比較特別，該系列晶片不僅內建Cortex-M7 CPU，而且還整合了LCD顯示跟音訊介面，適用在複雜的高階應用。 對馬達應用來說，耗電量與成本是終端產品製造商及使用者最關心的議題，因此，馬達雖然已經是很古老的技術，但為了追求上述目標，業界仍不斷發展新的馬達架構。在今明兩年，有一種名為永磁輔助同步磁阻(PMASR)的新型馬達即將開始運用在洗衣機這類家電產品上。 李唐山分析，這種新馬達的效率極高，而且結構簡單、稀土用量少、量產成本低，因此其應用前景備受矚目。但因為這種馬達只使用非常少量磁鐵，因此其驅動控制演算法的開發難度非常高，導致這種馬達的應用難以量產。但經過近幾年的努力，目前恩智浦已成功開發出適用在這類馬達上的弱磁演算法，並已申請專利。該演算法將可在部分KV跟DSC系列MCU上執行。 除了因應新型馬達所開發的解決方案外，為了簡化馬達應用的開發難度，恩智浦還開發了名為Kinetis Motor Suite(KMS)的馬達驅動開發套件。該套件可視為馬達驅動/控制的專家系統，所有馬達配置和控制都可以透過圖形化介面跟API來進行，即便是對馬達驅動不甚熟悉的新手工程師，在KMS的輔助下，也可以輕鬆上手開發。 模擬工具協助應用開發經濟效益不容小看 傳統上，各種產品的開發流程大致上都遵守設計、打樣、測試、量產的步驟，並且在前三個步驟不斷重複循環，待樣品的規格跟功能表現符合設計需求，才會進入量產。但隨著電腦模擬的能力跟精準度越來越高，在模擬環境中進行產品開發跟測試，已經是更有經濟效益的選擇。 安矽思科技(Ansys)應用工程師茆尚勳(圖3)認為，電氣化是未來人類科技發展的重要趨勢，許多原本不以電作為動力來源的產品，未來都會電氣化。在各類應用中，交通工具的電氣化最為明顯。原本使用汽油的汽車與機車，都已經開始掀起電氣化浪潮，這也意味著原本扮演輔助角色的馬達，不僅使用數量越來越多，在系統中所扮演的角色也會更加吃重。 圖3　安矽思科技應用工程師茆尚勳指出，在電氣化的浪潮衝擊下，馬達應用的開發過程將更加虛擬化。 對馬達設計製造商來說，這當然是個有利的趨勢，但隨著馬達的應用領域越來越廣，市場對馬達規格的需求也變得更多元。馬達設計製造商如果還用傳統的開發流程來設計產品，產品開發成本只會節節高升，而且開發週期還會拉長。 茆尚勳解釋，因為未來的馬達要滿足更嚴格的節能要求，從傳統直接驅動改為變頻驅動將是必然趨勢，但變頻驅動基本上是電子控制領域的專業，馬達本體則是機械設計專業。這意味著馬達製造商跟相關應用開發商，都必須找出提升跨部門協作效率的方法。 為解決馬達應用相關產業目前所遭遇的挑戰，Ansys提出以模擬展開馬達設計開發的新方法論。在傳統開發流程中，產品必須先做出原型，然後上動力機進行測試，取得各種必要參數或發現設計問題後，再回過頭修改設計。如此反覆進行，直到產品功能符合預期，可以量產上市為止。除了測試的時間跟成本外，光是製作原型就得花費新台幣數百萬元。 但透過Ansys完整涵蓋電路設計、電磁、熱分析的模擬工具來進行，設計人員可以在虛擬環境中發現產品設計可能出現的問題，並提前予以修改，因此產品開發速度可以明顯加快，更可省下昂貴的開模費用。茆尚勳估計，業者若願意投資模擬工具，只要開發兩款新的馬達就可回收。 除了經濟效益顯著外，以模擬來展開馬達應用設計還有另一個好處，就是同步完成數位雙胞胎(Digital Twins)的建置，因為應用開發或產品設計的過程，就是為實體產品建立虛擬模型的過程，當產品進入量產後，先前建置好的模型就是該產品的數位雙胞胎。若輔以工業物聯網跟感測器，從實際產品上收集資料，此模型就能用來提供產品故障的早期預警，實現預防性維護。 法規節能要求只增不減重型馬達邁向IE4 除了馬達設計與應用開發的方法正在面臨新變革之外，由於馬達是全球耗電量最大的電氣產品，因此世界各國政府均對馬達的效率展開緊迫盯人，藉由法規強制要求，讓未來的馬達能具備更高效率。因此，大型工業用馬達的本體設計也在與時俱進，並特別針對直流驅動的未來趨勢做好準備。 西門子(Siemens)大型驅動部門產品經理鄭志鴻(圖4)指出，用來驅動各種工業設備的大型馬達，其耗電量是非常可觀的。據統計，全世界大概有超過四成電力被用來驅動各種工業設備，而其中馬達所消耗的電力又占最大宗，因此世界各國對於大型馬達一直採取緊迫盯人的態度，希望藉由更嚴格的法規要求，提高馬達的效率，減少耗電量。 圖4　西門子大型驅動部門產品經理鄭志鴻指出，由於大型馬達消耗大量電力，因此世界各國大多對馬達的效率訂有強制性規範。 對於大型馬達，目前全球一共有三大主流標準，分別是歐盟的IE標準、美國的NEMA標準與中國的國標(GB)標準。這三大標準彼此之間大致可以互相對應，例如歐盟的IE2級相當於NEMA的Energy Efficient級、GB的第三級；IE3則相當於NEMA的Premium Efficiency級、GB的第二級。至於IE4，目前NEMA沒有對應的等級，但中國的GB第一級，已相當於IE4。台灣對於馬達能源效率的要求大致上依循歐盟標準。 為了追求更高的馬達效率，西門子在轉子、軸心與散熱上下了許多功夫。舉例來說，在大型馬達的轉子上，如果漆包線的纏繞越緊密，則效率越高；軸心材質的含銅量增加，也有助於提升馬達的效率。西門子目前已量產滿足IE4規範的馬達，可進一步滿足未來IE5規範的馬達，也已經研發完成，其主要改良就在漆包線纏繞跟軸心用料上。不過，漆包線纏得越緊密，表示漆包線用量越多，會對製造成本造成衝擊；同樣的，在軸心使用含銅比例更高的合金，也會使馬達的生產成本上升。 至於散熱，更是每家馬達製造業者都必須嚴肅面對的問題，因為熱是馬達最大的敵人。漆包線的電阻跟溫度成正比，當溫度上升，線路的電阻會增加，導致輸出功率下降。但馬達為了輸出足夠的功率來推動負載，會增加電流，這又會進一步造成更大的銅損，導致溫度上升，形成惡性循環。因此，高效率馬達通常會搭配冷卻風扇，來確保馬達本體的散熱性。 不過，鄭志鴻指出，近年來變頻驅動架構越來越流行，馬達的散熱設計也必須做出因應調整，才能實現良好的散熱。在變頻驅動架構下，馬達全速運轉的時間其實很短，大多數時候都是怠速運轉，但傳統的馬達風扇是同步風扇，也就是轉子在帶動軸心旋轉時，會同步帶動風扇旋轉，因此當馬達怠速時，風扇產生的氣流往往不足以冷卻馬達。久而久之，馬達的壽命會受到不小影響。解決之道就是把同步風扇改成主動風扇，確保馬達在任何時刻都有足夠的冷卻氣流。

市調機構IHS Markit預測大型TFT LCD面板製造商將減少相對較小尺寸的32吋、40吋和43吋面板的生產，有助於穩定2018年第三季面板價格。但中長期而言，供過於求的問題仍然存在，最終將導致舊的TFT LCD產線重組。 IHS Markit指出，目前規畫中的新產能從2018~2021年大型顯示器面板產能將增加31%或7770萬平方米，主要來自中國的Gen10.5/11工廠。但是，根據需求預測，預計2021年市場需求量約4900萬平方米。供需過剩預計將繼續從2018年的12%增加到2021年的23%。 因此，部分面板製造商可能被迫降低利用率，而一些計劃產能可能永遠不會投產，此外，未來幾年，傳統的產線重組可能會加速。為了使TFT LCD產業恢復到平衡的供需水平，可能需要關閉多個Gen 5、Gen 6甚至Gen 8工廠。傳統工廠的可能重組包括關閉產線，設施整合或轉換為其他技術，如主動式OLED(AMOLED)面板、ePaper背板和感測器。  

人才培育為實現工業復興關鍵 達梭系統大中華區總裁張鷹提到，在投入推動智慧工業的多年經驗中，觀察到若是要實現工業復興，最大的挑戰是在人才的培育。在所有的科技到位之後，唯有好的產業人才投入，才能夠使該技術的影響力持續擴大。 工業復興的概念包含了模擬分析、虛實整合系統(Cyber-Physical System, CPS)、物聯網、雲端、巨量資料、智慧機械手臂系統等等多種軟硬體技術的整合。正是因為如此，台中市政府積極與達梭系統展開合作，更於2017年成立了「智慧製造試營運場域」。期盼在此試營運場域內，串連大台中地區機械業群聚之能量。張鷹強調，該場域不僅是最新工業技術的示範園區，更期盼能藉由各類技術的整合示範，進而達到「孵化器」的目的。 張鷹進一步說明，目前全球各國皆在大力推廣類似的概念；例如中國製造2025、德國的工業4.0等等。而台中市的執行力更是在大中華區首屈一指，自2017年6月達梭系統與台中市政府簽訂戰略框架後，至今已能看見相關計畫開始推動。 圖1　達梭系統大中華區總裁張鷹(右)提到，實現工業復興最大的挑戰是在人才培育。圖左為台中市政府經濟發展局專門委員江振瑋。 培育工業人才從高中職開始 台中市政府經濟發展局專門委員江振瑋認為，各行各業都缺乏專業人才，也常常聽到台灣製造業主抱怨機械業培育了非常多人才，甚至投入很多資源於在職訓練，然而人才依然以電子業為優先的就業選項。江振瑋進一步指出，據統計台灣一年只有9,000名工學院畢業生，而這些畢業生其實並無法滿足營造、土木、電子電機等等所有的工業需求。 因此，江振瑋表示，台中市政府在和中部27所大學合作，成立智慧機械大學聯盟之後，下一步計畫將是積極與技職體系合作。近期，台中市政府正積極與大甲高工、台中高工等技職學院接洽合作。 江振瑋認為，儘管在高中、高職階段，很難將過於深入、專業的技術納入課程之中，然而卻可以透過適當的課程讓高中職學生對於製造業就業環境具有相關的想像，以了解未來若是投入該領域可以實現何種理想。 江振瑋近一步說明，目前技職高工體系的管理權限已回歸到市政府教育局，因此，台中市政府亦開始與技職體系的教育課程密切合作。除了實體教材的重新整合之外，與達梭系統合作之後，也開始能導入AR/VR相關的虛擬數位化教材。 江振瑋補充，人才的培育是「智慧製造試營運場域」的重要任務之一。因此，在該場域設置了人工智慧(AI)與智慧製造創新學院。除了自主開設課程之外，也和經濟部、教育局、勞動部合作，舉辦智慧機械人才的培育課程。不僅是在教室授課，配合該場域的設置，更能夠提供各種精良的設備以供實體操作。也和達梭系統合作，提供了CPS、AR/VR的應用，讓教材更數位化。 從中心大廠開始推廣　衛星廠數位化更順暢 張鷹認為，由於政府的大力推動，可以預期台灣工業製造的發展在未來三年內能夠產生更大規模的進步。在以往，達梭系統所提供的軟體方案多與漢翔航太這樣的大型企業合作，然而近年來大量的新創產業與中小企業出現，因此協助中小型製造業者轉型，也是未來台中市政府與達梭系統共同的推廣方向。 由現有的大型合作廠商開始推廣至其衛星供應鏈，這將會是未來智慧製造滲透進中小企業的好方法。張鷹提到，達梭系統將製造產業領域分為12大類，其中包含航太、汽車、造船、生物科技等等，儘管航太的智慧製造轉型發展較早，然而在未來12個產業將同步推動，智慧製造技術將遍地開花。 江振瑋說明，目前台中市政府針對中小企業提出了許多輔導與補助，例如「青年創業一條龍」計畫，包含研發補助申請、貸款申請、創業小聚，就連創業相關的經營管理、稅務、法務也皆有推出培訓課程。

Wi-Fi和藍牙(Bluetooth)是消費市場上主流的網路標準，但並不能用於物聯網。Wi-Fi運作範圍很大，但功耗也很高。Bluetooth具備低功耗，但運作範圍很近。兩種解決方案都需要路由器，因而不能很容易擴散。 事實上，對於存在的物聯網網路問題已經有一個可行的解決方案，這就是我們每天都在使用的行動通訊網路。 物聯網設置環境挑戰多　蜂巢技術為最佳解 物聯網從字面上看，涵蓋了各種各樣的「物件」，從消費者市場的智慧型恆溫器和白色家電，到工業市場的壓力感測器、水表和智慧灌溉系統。但是，即便這些應用和市場各不相同，但物聯網裝置卻都有一些共同的關鍵特性。 許多物聯網裝置均由電池供電。對於可穿戴裝置或資產追蹤器等行動應用而言，電池供電是唯一的解決方案。然而，例如智慧水表、管道壓力感測器或工業自動化過程中的恆溫器，即便物聯網裝置並非四處行動，為運作方便起見，也可能選擇電池供電，因為在附近可能沒有現成的主電源。 物聯網裝置通常位於意想不到或不方便的地方。大多數消費性和企業電子裝置都處於我們的辦公桌上、家中或辦公室內，可以很方便地接到電源、Wi-Fi和手機訊號，並且容易維護。但這些對於物聯網而言都難以實現。例如，智慧停車計時器可能位於地下車庫，沒有良好的無線蜂巢訊號，附近也沒有電源。壓力感測器可能位於沙漠中的遠端管道中，資產追蹤器可能被塞入集裝箱的底部，並且幾個月都無法訪問一次。 最後，與歷史上幾乎任何其他類別的電子裝置相較，物聯網裝置的部署數量更多。物聯網應用通常在大量部署時才最為有效，而不是每個人都僅有一台電腦。無論是停車計時器、信標、灌溉感測器還是資產追蹤器，IoT部署通常都會有數十個，數百乃至數千個離散式裝置在使用。 電池供電、行動或不方便安裝以及大規模部署等這些特性，為物聯網連接提出了獨特且看似矛盾的挑戰。所使用之通訊協定必須是無線，並具備良好的覆蓋範圍/穿透力，而且功耗最低，可以延長電池續航時間並避免不必要之維護。 用於消費性和企業網路的傳統無線協定Wi-Fi具有較好的運作距離和穿透力，但本質上耗電量很高，不適用於電池供電裝置。Bluetooth雖然功耗低，但在實際環境中運作範圍有限，除最小規模物聯網部署之外，都會影響所有其他應用之有效性。因而需要另一種解決方案，蜂巢技術似乎是最佳選擇。 在某些層面，手機與物聯網裝置有許多共同之處。這些由電池供電的行動裝置連接到互聯網，充滿了大量感測器，並將我們的實體世界與雲端連接。所以，可以認為理想的IoT協定可能具有某些蜂巢特性。 蜂巢網路最突出的優勢是能夠為終端用戶提供非常容易設置和使用的通訊協定。如前所述，Wi-Fi網路需要路由器連接到網路，然後客戶端裝置需要隨後被編程以連接到Wi-Fi網路。Bluetooth網路也需要類似之步驟。 但蜂巢網路則只要求終端用戶簡單地在裝置中安裝SIM卡，然後該SIM卡便能自動配置並自動連接到可用網路。如果裝置移動到不同場所，只要有相容的網路，它就會自動切換。中間毋須配置，沒有路由器設置、沒有設置密碼，最終用戶需要調適的連接問題非常少，因而極其簡單。 對於物聯網應用，這種易於使用的網路足以改變遊戲規則。蜂巢技術毋須聘請網路專家計畫需要多少路由器來支援一定數量的裝置，並配置路由器，然後配置終端裝置，蜂巢網路之「即插即用」特性允許最終用戶自由新增物聯網連接，而毋須網路部門的參與。 蜂巢連接也具有很大的可擴展性。隨著更多裝置添加到網路中，毋須購買和配置額外的路由器。只要有網路覆蓋，擴展只須新增更多裝置。 針對物聯網的蜂巢網路 儘管蜂巢技術有其好處，但我們在智慧型手機中熟悉的蜂巢連接並不適合大多數物聯網應用。任何為智慧型手機購買過行動電源的人都知道，LTE連接可能會快速耗盡電池。 為了解決這些問題，負責維護和推動LTE的標準組織3GPP已經推出了LTE Cat 1和LTE-M，這些新的LTE類別能夠透過降低頻寬和協定的複雜性來抑制功耗。此外，它們還可以提高訊號之穿透力，並降低模組成本，同時保留許多易於使用的特性，而使這些蜂巢連接非常適合物聯網市場。 LTE Cat 1是一種簡化的蜂巢協定，它將峰值速率降至下行鏈路10Mbps，上行鏈路5Mbps。例如，Digi的XBee LTE Cat 1模組(圖1)在深度睡眠模式下功耗只有10μA，而在運作模式(取決於具體的操作條件)下功耗則有幾百mA。 圖1　XBee應用示例 圖片來源：Digi 因此，其功耗保持在可控範圍之內。協定之複雜性降低也意味著無線電的成本較低。LTE Cat. 1具備足夠的頻寬來支援視訊或語音數據，但功耗和硬體成本要遠低於更高級別的LTE，其相關應用包括數位標牌、自動取款機、視訊監控和車載遠端資訊處理等等。 LTE-M也被稱為LTE Cat. M1，這是一個更低頻寬的協定，同時進一步降低了功耗、協定複雜性和成本。LTE-M運作在1.4MHz通道頻寬下，峰值下載和上傳速率為全雙工(Full Duplex)1Mbps或半雙工375kbps。更低的速率、更低的協定複雜性和更多的省電模式幫助LTE-M實現較LTE Cat. 1更低的功耗。例如，來自u-blox的SARA-R4僅僅需要100mA來實現LTE通訊，這將使電池續航時間長達10年。 除了延長電池續航時間外，LTE-M還提供更大的覆蓋範圍，相較於傳統LTE裝置，增益可高達21dB。在建築物內部、地下室或傳統蜂巢訊號變弱的其他場所，這意味著更遠的運作範圍以及更好的室內穿透力。LTE-M之相關應用包括資產跟蹤器、可穿戴裝置、感測器、水電表和監控系統等。基於現有的LTE協定，LTE Cat 1和LTE-M之優勢在於是在授權頻段中運作，並易於網路營運商部署。LTE Cat 1和LTE-M網路已經在北美大部分地區投入使用，並越來越多地在歐洲部署。 隨著物聯網發展，也需要有合適的基礎設施以充分發揮其潛力。雖然Wi-Fi和Bluetooth等傳統無線協定已經為我們所熟知，但它們在物聯網實施所期望之規模上並不盡人意。3GPP發布的最新版本LTE標準，已經導入了專門針對物聯網應用的新類別蜂巢標準，透過調整頻寬來適應物聯網的需求。這些新類別的LTE標準可實現非常低的功耗和強大的訊號穿透能力，電池續航時間可能在幾年上下，裝置也將具有長距離的連接和蜂巢通訊固有之行動性。最重要的是，基於LTE的物聯網連接提供了簡便的設置和可擴展性。由於不再需要路由器或網路配置，使物聯網裝置的部署要簡單許多。 (本文作者任職於貿澤電子)

圖1　汽車雷達模擬測試 雷達量測有訣竅 安裝於車輛前方的前向雷達，主要是用於偵測與前方車輛的相對距離及相對速度，以利駕駛控制單元隨時保證適當的行駛速度，亦或執行剎車甚至緊急制動，避免交通事故發生。距離及速度偵測結果的精準度是重要的雷達特性之一，而偵測結果的更新速度則是評判雷達之具體應用的一項指標。從產品研發角度來看，首先需要確定雷達是否能夠偵測到前方位於某一特定距離的物體，即障礙物。這是量測雷達接收機的靈敏度。在靈敏度滿足設計要求的條件下，需要確定雷達所偵測，與前方相對靜止的障礙物之間的距離，其精準度是否符合設計要求。鑒於目前對於雷達測距的要求，通常在一個有100多公尺長度的相對空曠場地便可以進行實際量測。不過，相對距離的量測只是第一步，而且是相對容易的一步，困難的是如何量測相對速度。 在簡易實驗室環境下，可以利用擾動產生都卜勒頻率變化，而模擬相對速度。但是，這種方法只適用於定性判斷，也就是判斷雷達是否能夠偵測到都卜勒頻率變化。 另外一種方法是路測，亦即將雷達安裝在實驗車預先設計的位置上，然後，開車到特定的路段進行量測。這裡有幾個問題需要事先詳細考慮。 第一，如果是一般路段，由於沒有車輛行駛限制，無法對路況進行設定，以致於在測試過程中常常會出現意想不到的情況。不僅如此，實驗車與其他車輛之間的相對速度需要進行估算。當然，利用第二輛實驗車，並且以固定的速度行駛，似乎可以解決須要估算相對速度的問題。不過，在一般路段上能夠允許在相對較長的時間內都是以固定速度行駛，而且不會受到其他車輛妨礙，是非常不容易的；而這樣的測試條件也很難重複實現。 第二，雖然有些實驗室或駕校提供沒有其他車輛妨礙的場地，但租金通常都不低。就算場地租金的高低不是問題，藉由雷達偵測到的相對速度之精準度將完全依賴於實驗車行駛速度的讀取。當然，這樣的測試條件很難在產品整個研發階段都得到滿足，而一般會在產品正式量產前進行有限次數的實景測試，以驗證在實驗室環境下量測結果的可信度。 由此可見，實驗室測試過程是必不可少的。接下來的問題是，實驗室測試環境應該是甚麼樣的？ 首先，量測儀器要能夠將至少上百米相對距離的需求縮小到幾米的空間內，利用延遲線的方法可以十分精準地滿足這一要求。不過，由於延遲線通常都是長度固定的，儘管通過組合的方式可以提高長度變化的範圍，顯然這種方法的局限性在於無法任意改變相對距離。不僅如此，使用延遲線也很難達到實現相對速度變化的需求。當然，延遲線的方法是可以利用在產線量測的，因為在產線上出貨率是關鍵，要儘量減少不必要的量測參數，通常只會對於單一固定的相對距離之精確度進行核准。 為了能夠有效地實現動態量測的需求，數位訊號處理的方法應運而生。從原理上來說，時間上的滯後可以等效為空間上的距離，都卜勒頻率變化量可以等效為徑向速度。如果加上波束成形技術，更可以實現於空間不同方向之雷達目標模擬。誠然，鑒於數位訊號處理方法有賴於計算能力，因此，最短的計算時間就決定了這種方法所能模擬的最小等效距離，亦即雷達目標之相對距離。儘管有這一等效距離上的局限性，數位訊號處理方法仍然不失為一種多功能的量測手段，特別是在實驗室環境下，利用先進的訊號處理功能來實現各種極具挑戰性的真實場景模擬。 例如，藉由硬體迴路模擬技術將非常複雜的道路實景數位訊號化，而在計算機上進一步更全面綜合地完成雷達偵測能力的最優化。不僅如此，通過改變雷達散射截面以模擬行人之雷達回波特性，進而將雷達功能拓展至更加嚴苛的應用環境中。特別是在城區內的繁華街道上，除了必須偵測前後左右各個方向的車輛之外，當各種行人隨意走動時，如何實現人群活動偵測的準確性與可靠性，將直接涉及到雷達的適用性這一重要議題。 通常來說，不同應用的雷達有著不同的可視範圍及可視縱深。一般的前向雷達具有相對較大的可視縱深以及相對較小的可視範圍。在未來的車輛上，除了前向雷達，還需要在其他方位上安裝至少七顆雷達，以保證在水平方向上不存在盲區。 由此可見，雷達目標模擬技術必須能夠滿足未來雷達偵測技術的多元需求，不僅要有足夠的動態範圍，還要有高度的靈活性，更要有良好的可擴展性。 非金屬材質雷達天線罩降低干擾 做為一個電子產品，車用雷達都會有防塵防水的結構。以車用前向雷達為例，其安裝位置主要是在保險桿上(如小型轎車)，或是於前方直接與廠家商標徽章合為一體(如大型客車，卡車)。無論哪一個安裝位置，都會涉及到如何選擇適當材料的問題。如果是在保險桿上，為了美觀還要考慮外部塗漆的材質，因為有些漆料含有細微的金屬顆粒或晶體，任何金屬成分都會對雷達訊號產生一定的影響，這是無庸置疑的。那麼，以非金屬材質的車標作為天線罩就不會對雷達訊號產生影響嗎？ 雷達訊號是一種電磁波。電磁學理論告訴我們，電磁波在任何兩種不同物質的交界面上都會產生反射現象。而反射波的強弱由電磁波的頻率以及這兩種物質的特性所決定。 此外，電磁波在一種材質中的穿透或傳播能力也是由頻率及物質特性所決定的。除了對於車用雷達本身的保護作用之外，雷達天線罩的最主要功能就是最大限度地降低有效電磁波能量的反射，同時，最大限度地提高有效電磁波能量的穿透。 更進一步地，未來的雷達除了需要偵測有無障礙物之外，還必須能夠判斷障礙物所在的空間方位。而空間方位之判斷正可謂「差之毫釐，謬以千里」。 具體來說，對於百公尺之外的障礙物的空間方位角度之判斷誤差為一度，將導致空間方位之判斷平移幾乎兩公尺。其可能的結果是，實際上不應該採取超車，而誤判進行加速超車，造成重大交通事故。 通常雷達天線罩會由不止一種材質組成。加上周圍的空氣，至少構成了兩種不同物質的交界面。車用雷達的工作頻率是不能任意改變的。因此，必須設法找到產生相對較弱的反射波的非金屬材質來製作雷達天線罩。 一種簡單的方法是利用一個已知的雷達產品偵測一個或多個位於某一或若干特定距離與空間角度的物體(通常是標準的角形反射器)，記錄偵測結果並作為參考數值。然後，將所有待測的被選天線罩依次擺放於雷達前方的設計位置上，分別記錄偵測到的相對距離與空間角度結果，並與參考數值進行比較。最後，藉由經驗值篩選出適合的材質。這種方法的特點是直觀，然而卻非常費時。 目前較為先進的方法是藉由射頻成像技術全面完整地分析雷達天線罩材質的射頻特性。這種方法可以僅用數秒時間對於在雷達工作頻率範圍內材質的一致性進行量測，這一特點對於雷達天線罩的設計極其重要。它不僅解決了耗時的問題，而且其量測結果達到毫米級的精度，而有助於分析產生上述的空間方位判斷平移之原因。更有意義的是，這種方法能夠快速檢測材質的反射及穿透特性，因此非常適合於產線上使用。 車用雷達技術方興未艾。高階的自動駕駛控制更是離不開具有全天候特性的雷達技術的不斷發展與完善。上述的車用雷達之射頻量測技術已經為實現車用雷達最佳化設計以及自動化生產奠定了關鍵的基石。 (本文作者為台灣羅德史瓦茲應用工程部經理)