MR
雙AMR感測實現馬達精確角度測量 自駕系統安全再獲確保
半導體供應商如亞德諾半導體(ADI)便提供磁阻(MR)位置感測器產品和基於分流器的電流感測放大器產品,可使EPS和電子煞車系統中使用的無刷馬達實現高性能換相和安全運作。
自駕趨勢使安全更被重視
近年來隨著人們對於車輛安全性的要求越來越高,先進駕駛輔助系統(ADAS)也相應獲得進一步發展及推廣,其依賴安全氣囊保護駕駛及乘客安全之傳統被動系統輔助。這些新出現的系統,最初是為輔助駕駛在安全危急情況下作出正確決策,長期而言,則能替代駕駛作出決策。這些技術的進步亦引領汽車朝向半自動和全自動駕駛遞進,使電子控制單元(ECU)代替駕駛作出決策,以及讓執行器負責進行車輛轉向和煞車操控,皆為將駕駛車輛的任務移交給感測器、ECU和電力傳動裝置。此趨勢促使廠商開發更可靠、更智慧、性能更高的額外的電力傳動裝置解決方案,而這些解決方案皆須符合ISO 26262功能安全標準。考量風險的安全標準,其需對危險操作情況的風險進行定性評估,並在元件和系統設計中融入安全措施以避免或管控系統故障、並檢測或控制隨機出現的硬體故障或減輕影響。
這些執行器系統通常使用無刷直流(BLDC)馬達驅動,由於這些系統對安全性相當重要,因此設計人員在設計解決方案的硬體和軟體時,須保證系統能滿足汽車安全完整性等級(ASIL)D級的高標準。
MPS確保馬達控制
無刷直流馬達無電刷觸點,因此需使用馬達位置感測器(MPS)測量定子與轉子間的相對位置,以確保定子線圈按正確順序通電。馬達位置感測器在啟動時扮演重要角色,因為此時微控制器無可用的反電動勢確定轉子和定子的相對位置。
傳統上阻塞換相(見圖1a)由三個霍爾開關組成,其用於指示無刷直流馬達中轉子的位置。由於人們要求提高BLDC馬達驅動器(包括EPS系統)的性能,尤其是降低其噪音、振動和聲振粗糙度等級(NVH),以及提高其運作效率,因此阻塞換相逐步被正弦換相控制所取代。霍爾開關則可由安裝在馬達軸末端的雙極磁鐵前面的MR角度感測器代替(見圖1b)。在典型的應用中,MPS也被安裝在ECU組合上,而ECU則被整合到馬達外殼,且安裝於馬達軸末端。
圖1 (a)BLDC阻塞換相控制和(b)BLDC正弦換相控制
ASIL等級反映系統安全性
ISO 26262於2011年導入,其作為一種安全標準,以解決與電氣安全相關系統故障可能造成的危害,之後由2018年版所取代。
針對系統建置安全和風險分析,以確定系統的ASIL等級為必要的過程。而ASIL等級則透過審查系統於運作期間潛在危險的嚴重程度、暴露程度和可控性確定(圖2),例如若人們對EPS系統實施風險和危害分析,可能會得出以下結論:基於這些事件(如轉向鎖止和自動轉向等)的嚴重程度、可控性和暴露性,將這些嚴重事件評定為ASIL D等級;同樣地,對於即將推出的電子煞車系統,則可採用相同邏輯確定不可控事件的嚴重程度,如煞車鎖止或自動煞車。
圖2 ISO 26262 ASIL評級矩陣
根據EPS或煞車系統示例,ASIL D系統評鑑可透過分解子系統實現,如圖3a、圖3b及圖3c所示。
圖3 針對ASIL D系統的ASIL分解方案
每個系統元件不須皆按照ASIL D標準和流程開發,以使ASIL D系統符合規格;但在進行系統等級的審核時,要求整個系統必須滿足要求,且可整合QM、ASIL A、B、C、D等級的子元件組成系統,且系統分解還應確保獨立性,並考量依賴或共因故障的可能性。
傳統EPS系統拓撲架構及潛在問題
典型的EPS系統拓撲結構如圖4所示。EPS ECU根據駕駛施加到方向盤上的轉向扭矩、方向盤位置及車輛速度計算所需的輔助功率。EPS馬達透過施力轉動方向盤,以減少駕駛操縱方向盤所需的扭矩。
圖4 典型的EPS拓撲
馬達軸位置(MSP)角結合相位電流測量資訊,用於對EPS馬達驅動器進行換相和控制。典型EPS馬達控制迴路如圖5所示,所需的扭矩輔助等級因駕駛條件而異,由車輪速度感測器和扭矩感測器決定;扭矩感測器測量駕駛或無人駕駛汽車中的馬達執行器施加至方向盤的扭矩;微控制器隨後使用MSP資料和相位電流資料控制提供馬達所需輔助的電流負載。
圖5 典型的EPS馬達控制環路
MPS感測器故障可能導致或加重系統故障,如轉向鎖止或自動轉向,因此MPS為EPS系統中的重要元件,其中關鍵在系統需能綜合全面診斷感測器故障,以確保在MPS感測器出錯或發生故障時能夠繼續正常運作,而不會發生嚴重的系統故障,或者在出錯時系統能以安全方式停止運作。
電流感測放大器通常用於間接精確測量馬達負載,一般應用於三個馬達相位中的兩個相位,提供額外診斷資訊(可作為整體系統安全保障措施的一環)。
此外,高度準確的馬達位置和相位電流測量可以從系統層面改善EPS馬達的控制性能,實現高效、安靜、平穩的轉向,進而提升駕駛體驗,因此是系統中的關鍵元件。
雙AMR感測器 確保穩定操作
在EPS或其他安全性關鍵馬達控制應用中,可採用不同的方法來使ASIL D符合規格。以下示例便將雙重各向異性磁阻(AMR)馬達位置感測器和像是ADI的電流感測放大器整合到此系統中,以提供所需的性能等級和額外需要,從系統等級實現ISO 26262 ASIL D合規性。
在圖6中,用不同技術(如霍爾、GMR或TMR)的另一個感測器對雙AMR感測器進行完善和補充。雙AMR感測器作為主(高精度)感測通道,第二個不同感測器技術通道有三個用途:
.啟用「三選二」(2oo3)比較,以驗證當與其他系統輸入組合時,其中一個感測器通道是否出現故障。
.在發生可能性極低的兩個AMR通道都故障的情況下,提供位置回饋。
.在馬達極數為奇數的情況下,為微控制器提供360o象限資訊,用於馬達換相。
圖6 適用於安全性至關重要的應用的馬達位置和相位電流檢測結構示例
準確的角度測量將繼續由雙AMR感測器的兩個通道提供。額外的系統診斷,如馬達負載和軸的位置,可以從準確相位電流檢測放大器的動態狀態(反電動勢)間接推斷得出。
若查看此感測器架構示例中所有可能的感測器故障模式,可以看出應始終有兩個位置感測器輸入可用於可靠性檢查。即使在兩個AMR通道都因常見故障原因以致同時故障,這種極不可能的極端示例中,仍然可以使用來自輔助感測器通道的降級位置感測資訊,以及電流感測器在動態狀態下提供之反電動勢資訊進行交叉比對,以確保系統基本功能繼續正常運作。
這種系統等級的診斷功能將確保不會發生嚴重的故障模式,並且確保系統實現ISO 26262 ASIL D合規性,之後便可以安全關閉系統的電源,或者轉入跛行回家模式(Limp Home Mode),以返回經銷商進行維修。
感測器設計改善乘車體驗
隨著用於提高汽車安全性的ADAS推出,以及全自動和半自動駕駛車輛的出現,人們開始要求更可靠、更智慧、性能更高的額外電力傳動裝置解決方案,同時要求需符合ISO 26262功能安全標準。供應商如ADI提供的馬達軸位置和相位電流感測產品,不僅能提高性能,實現更順暢、更高效的馬達控制要求,同時提供在EPS或煞車系統等安全性至關重要的應用中,能夠實現所需的額外高ASIL要求。而ADI提供的ADA4571-2雙AMR感測器為需要額外和獨立感測通道等安全性的重要應用設計,其為一雙通道AMR感測器,整合訊號處理放大器和ADC驅動器。
該產品含兩個AMR(Sensitec AA745)
感測器和兩個放大器訊號處理ASIC;該感測器提供低角度誤差訊號,通常在0.1度範圍內,具備可忽略的遲滯現象、高頻寬、低延遲和良好的線性度。
這些特性能夠協助減少轉矩波動和可聽見的雜訊,幫助實現順暢、高效的BLDC馬達控制。此外,AMR感測器可在飽和大於30Mt的條件下運作,並沒有磁場視窗上限,而且感測器能在高磁場條件下運作,因此解決方案能承受嚴苛環境的雜散磁場。
至於ADI的AD8410電流感測放大器能夠在EPS和其他BLDC馬達控制系統中的分流電阻上測量雙向電流,為高電壓、高解析度和高頻寬的分流放大器,其用於嚴苛環境中提供所需的準確測量、診斷安全性的應用,幫助減少轉矩波動和可聽到的雜訊,實現順暢、高效的BLDC馬達控制(如EPS或煞車),並改善駕駛體驗。
(本文作者為ADI汽車電氣化部策略行銷經理)
滿足工安/技術傳承需求 智慧眼鏡結合AR/MR威力大
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)
高通重磅推出首款5G擴增實境XR平台
高通(Qualcomm)Snapdragon XR2平台是全球第一個支援5G的延展實境(XR)平台,其連結高通技術公司的5G與人工智慧創新,以及XR技術,迎來行動運算新時代。此平台推出客製功能,更有許多能在擴增實境(AR)、虛擬實境(VR)與混合實境(MR)上擴展的創舉。
相較已被廣泛採用的高通XR平台,Snapdragon XR2平台效能全面顯著提升,提供2倍的CPU與GPU效能、4倍的影片頻寬、6倍的解析度,以及11倍的人工智慧效能。Snapdragon XR2平台是首款支援同步七鏡頭與專用電腦視覺處理器,也是第一個實現以低延遲鏡頭解開MR體驗的平台,讓使用者戴著VR裝置時看見、互動以及創造虛擬世界與真實世界的混合體。為了滿足真正身臨其境的XR的要求,此平台提供採用人工智慧基礎技術與5G連線能力的客製化影像表現、互動與音訊技術。
在視覺表現上,為在XR中體驗更逼真的真實感,就必須縮小現實世界與虛擬世界之間的視覺間隙,這需要先進的顯示器與繪圖處理能力。此平台在核心GPU處理能力上大躍進,為高效能圖形渲染支援1.5倍的像素速率與3倍的紋理速率。XR專有功能,例如眼動追蹤式注視點渲染技術、讓畫面更新率更順暢的增強型可變速率著色等,協助處理重度工作負載,同時維持低功耗。顯示面板能以90fps提供達3k×3k的單眼解析度,更支援60fps 8k 360度影片的XR平台,為串流與本機播放提供擬真的視覺表現。為了AR顯示器研發的客製矽晶降低整體系統延遲,維持AR體驗。
於互動性的表現,讓使用者能被瞬間傳送到全新環境。為精確有效做到,平台導入對同步七鏡頭與客製電腦視覺處理器的支援。同步多鏡頭能實現以高精準度即時一起追蹤頭部、唇部、眼睛,加上26個骨架點的手部追蹤技術。電腦視覺能提供高效率場景理解與3D重建。這些功能相互搭配後將讓使用者走入全新環境,在其中的數位世界憑直覺互動。
至於音訊部分,平台能在3D空間音效中提供全新等級的音訊層,同時透過無雜訊語音互動加深沉浸感。此平台搭載客製的內建常時啟動低功耗高通 Hexagon DSP,以支援語音啟動與情境偵測等硬體加速功能,助使用者在數位世界也能掌握真實世界的動靜。
人工智慧與5G是形塑通訊與運算未來的兩大技術。高通帶動兩大技術融入包含XR在內等行動運算領域。此平台多項功能皆已透過人工智慧提升效能,包含視覺表現、互動性、音訊,以便帶領使用者浸潤在實境中。平台是第一個支援5G連線能力的XR平台,有潛力釋放需低延遲與快速資料速率的創新XR體驗浪潮。如5G能利用裝置與邊緣雲間的拆分處理呈現擬真高品質體驗,實現真正無拘無束的XR,不受線路或空間限制。
肖特聯合EVG開發消費級AR/MR智慧眼鏡
國際科技集團肖特宣布了肖特RealView高折射玻璃晶圓系列的最新產品,用於增強現實(AR)和混合現實(MR)設備。肖特與EVG集團合作,利用納米壓印工藝成功開發出基於300 mm(約12英寸)肖特RealView玻璃晶圓的波導片。肖特的大尺寸晶圓和EVG的SmartNIL技術對於大批量光波導片的生產和成本控制至關重要。
肖特RealView玻璃晶圓是下一代AR/MR穿戴式設備的關鍵部件。玻璃晶圓是多層RGB波導片的基板,是AR/MR顯示單元的一個重要組成部分,為用戶營造沈浸式體驗。
300mm玻璃晶圓的生產需要更大尺寸的AR/MR等級的光學玻璃塊料,這種大尺寸的光學玻璃塊料的生產極其困難,它需要全新的制造和熔煉工藝。肖特已具備生產大尺寸光學玻璃塊料的能力。
肖特已經為客戶提供300 mm的RealView高折射晶圓樣品,同時正在準備提升大尺寸晶圓的批量生產能力。與此同時,在德國光學玻璃中心,肖特的玻璃專家和研發團隊也在繼續提高其AR/MR級光學玻璃的質量。
肖特與EVG的成功合作表明,在保證嚴格標準和產品質量的同時,300 mm高折射晶圓的生產工藝和供應鏈已經準備就緒。這標志著AR/MR技術的發展達到了新的裏程碑。
數位實境溝通更直覺 穿戴裝置UI眼球追蹤最懂
一個明星終端商品的發展,軟硬體技術的到位與產業環境的配合非常重要,以UI為例,PC使用鍵盤與滑鼠、Smart Phone透過手勢觸控,未來希望解放雙手的穿戴式裝置,可能需要仰賴語音與眼球控制。眼睛是靈魂之窗,一般人際溝通會大量使用眼睛,大部分的動作之前也都是眼神先到位,透過視覺與聽覺傳達的影像和聲音才是最直觀、最常用的溝通方式。
穿戴裝置將導入眼球追蹤控制
兩個有默契的人一般只要閱讀「眼神」就能進行溝通,人們對於資訊產品的使用已經朝無時無刻與無所不在發展,穿戴式裝置希望可以讓使用者在做任何事的同時也可以同步使用,見臻科技(Ganzin)執行長簡韶逸認為,智慧手機市場已趨於飽和,廠商紛紛尋求新產品,加上5G的出現,也讓大家開始思考手機以外的應用,智慧眼鏡可能就是答案。預計2020年將會有更多智慧眼鏡問世,光機技術的成熟也是智慧眼鏡市場可能在2020年爆發的推力之一,過去光機沒有辦法做到現在這麼小,隨著技術成熟,微小化光機更有機會整合在眼鏡上面。
人類的視覺有焦點,在焦點以外的事物相對模糊,因此在穿戴式裝置的應用上,簡韶逸指出,利用注視點渲染技術(Foveated Rendering),追蹤人眼的焦點位置,只在焦點位置進行高解析度影像運算與顯示,節省其他90%以上的運算資源,同時使用者並不會有明顯的感受,也就表示,GPU效能不用很高就可以有超高解析度的表現,此技術對於未來智慧眼鏡的顯示,將造成重大的影響。
智慧手機讓我們使用資訊產品不用固定在桌椅上,但在行走或做事時還是無法使用,見臻希望可以解放這個限制,讓眼球追蹤功能普及在人們的生活之中。簡韶逸進一步說明,現有眼球追蹤(Eye Tracking)技術目前多數成本高、體積大、耗電且很難整合;以知名的解決方案為例,使用七顆LED照射眼部,利用光線反射原理追蹤眼球的移動,但是一出室外,環境光太強,該技術效能就會大打折扣,同時需要搭配大電量電池,使用時間僅1.5小時。
眼神控制新UI為終極目標
因此,眼球追蹤技術目前普及的困難在於耗電、成本、整合等面向,為了解決這些問題,簡韶逸進一步說明,見臻推出眼球追蹤技術解決方案Aurora,用兩顆CMOS感測器及一顆眼睛處理單元(EPU),使用外接電源的情況下續航力高達十個小時,機構簡單封裝小,相當容易整合。
另外,Aurora只用一顆LED補光,利用感測器拍攝眼球的動作變化,可以避免環境光源干擾,所以室內外都能使用,同時減少LED數量更可以大幅降低耗電量。
眼球追蹤技術的使用願景其實已經出現,在電影鋼鐵人中,主角就是透過眼神操控高科技的機器鎧甲,簡韶逸解釋,人類視覺用眼球追蹤大約是中央區正負15度的區間,再大就會轉頭,在這區間中精準度小於1度,目前的技術要做到像電影裡的準確度與複雜控制還有一段距離,不過就技術的發展來看,再過幾年技術改善相當有機會達成。
簡韶逸指出,眼球追蹤技術應該是像PC的滑鼠那樣的輔助角色,整合在裝置裡,占整個裝置成本的10~20%才是合理範圍,見臻的解決方案能加速技術的普及;該公司於2019年初發表第一代解決方案,後續提供工程樣品給客戶,並進行客製化的設計,預計2019第四季正式量產。Aurora的晶片雖然是見臻自行開發的產品,但團隊並不以IC設計公司自居,而是定位為軟硬體整合解決方案供應商,因為是從學校出來的團隊,每個工程師都會做演算法和硬體,所以不會有演算法跟晶片電路無法搭配的問題。
在全世界各地很難再有像台灣一樣,從台北到新竹這麼短的距離就可以找到軟體、硬體設計,晶圓、終端代工,甚至品牌與各種類型的科技解決方案廠商,台灣非常適合發展創意與新創產業,Ganzin這個名字源自台語的「眼神」,也取英文gaze的凝視之意,簡韶逸期許見臻不只做到眼球追蹤,更做到「眼神控制」,讓科技更符合人性。
見臻科技執行長簡韶逸認為,預計2020年將會有更多智慧眼鏡問世,光機技術成熟,微小化光機更有機會整合在眼鏡上面。
千瓦應用需求有增無減 眾廠齊推GaN功率元件
隨著科技演進,如何提升能源使用效率是業界共同的挑戰。其中,無論是在消費電子、工業自動化或是雲端運算帶來的伺服器,各個領域都在追求更高的功率密度,以達到逐漸提升的電力要求。
氮化鎵(GaN)功率元件能夠使電子傳導更有效率,也能縮小元件體積,因此未來全球GaN功率元件市場將持續成長(圖1)。儘管目前功率元件依然以矽MOSFET為主流,但已有許多廠商陸續推出氮化鎵材料元件,以做到更高的切換頻率與更小晶片尺寸。
圖1 全球GaN元件市場價值
資料來源:Coherent Market Insights
電動車/伺服器率先導入GaN元件
日前於2018年慕尼黑電子展(Electronica Trade Show)上,氮化鎵半導體技術廠商Exagan發布了GaN高功率轉換解決方案。該公司也指出,伺服器與電動車將成為率先導入的兩大應用領域。
Exagan致力於氮化鎵半導體技術創新,在2018年慕尼黑電子展會上,該公司更展示了其針對千瓦級應用的G-FET和G-DRIVE兩大產品線,提供高效能、極低耗損的電能轉換,且具有增強功率的快速開關元件,適用於汽車與伺服器應用。此二最新發布的新型GaN產品解決方案,展示了Exagan的200-mm CMOS製程技術,同時也顯示出Exagan對GaN技術的充分掌握。
根據研究單位IDC的數據顯示,2018年第一季全球伺服器出貨量,相較於2017年同期成長了20.7%至270萬台。快速成長的伺服器市場電源,也將成為首批導入Exagan GaN解決方案的電源應用。
汽車電子也是另一項GaN電源轉換解決方案的重要應用。在2018年慕尼黑電子展會上,Exagan總裁兼首席執行官Frédéric Dupont表示,GaN小巧輕便與具成本效益的特性,使得該解決方案相當適合應用於電動車之中。
該公司的G-FET和G-DRIVE產品線將提供市場更為全面的GaN解決方案組合,Dupont進一步指出,該公司亦於近期在法國與台灣設立了應用中心,致力於與客戶能有更緊密的合作,進而滿足新興的電源轉換需求。
英飛凌GaN HEMT/驅動器進入量產
在2018年慕尼黑電子展會上,英飛凌科技(Infineon Technologies)也發布了氮化鎵解決方案--CoolGaN 600V增強型HEMT和氮化鎵驅動IC EiceDRIVER。
新款CoolGaN 600V增強型HEMT採用可靠的常閉概念,已優化實現快速開通和關斷。它們可在開關式電源(SMPS)中實現高能源效率和高功率密度,其優值係數(FOM)在目前市面上所有600V元件中首屈一指。
CoolGaN擁有高可靠性,品管過程不僅對元件本身,還針對其在應用環境中的性能進行全面測試,以確保CoolGaN開關滿足品質標準。
另一方面,EiceDRIVER驅動IC則是CoolGaN增強型HEMT的完美搭檔,專為確保CoolGaN開關實現強固且高效的運作所設計,同時大幅減少工程師研發工作量,加快產品上市時程。
功率密度要求持續提升 GaN新品實現千瓦應用
為滿足千瓦以上應用需求,德州儀器(TI)亦於日前推出GaN FET產品系列。德州儀器類比IC應用經理蕭進皇(圖2)表示,GaN元件能操作的切換頻率相對於MOSFET更高,在提升切換頻率後,包含電容等整體晶片體積都將縮小;相比之下,GaN元件設計重量只有MOSFET元件的六分之一。如此一來,不但能達成節省能源、降低成本,在晶片體積縮小之後,亦能擴大放置其他元件的空間。
圖2 德州儀器類比IC應用經理蕭進皇表示,GaN元件能操作的切換頻率相對於MOSFET更高,在提升切換頻率後,包含電容等整體晶片體積都將縮小。
為因應此趨勢,德州儀器日前推出新型600V GaN、50mΩ和70mΩ功率級產品組合,能支援高達10kW應用。與應用於AC-DC電源供應器、機器人、可再生能源、電網基礎設施、通訊和個人電子的場效應電晶體(FETs)相比,該產品系列能協助工程師打造更小、更高效且更高性能的設計。
蕭進皇進一步說明,目前MOSFET元件皆需要再外掛驅動控制,然而該產品將驅動控制納入同一個封裝之中,如此一來便能降低電子電路設計難度,縮短設計者的開發時間。
在未來,持續提升功率密度將是電源設計的主流趨勢。另一方面,將主動和被動零組件整合於電力系統之中,也能更可靠地實現縮小尺寸的目標。GaN元件能夠應用在個人消費電子、工業馬達驅動、電網基礎設施等不同功率等級的應用之中,功率應用範圍從瓦橫跨到千瓦等級。
德州儀器的GaN FET產品系列擁有整合獨特的功能與保護特性,不僅簡化設計,同時實現更高的系統可靠度與最佳化高壓電源供應的性能,進一步為傳統串接(Cascade)和獨立(Stand-Alone)的GaN FET提供了智慧替代解決方案。透過整合的<100ns電流限制和過熱偵測(Overtemperature Detection)功能,此裝置可防止意外的直通事件(Shoot-Through)與熱失控 (Thermal Runaway)發生,且系統介面訊號提供了自我監測的能力。
然而,由於GaN元件相對成本依然較高,因此蕭進皇進一步指出,在短時間內該公司的GaN相關產品會以滿足高效能的需求為主要目標市場;低成本的設計便不是最適合GaN元件的應用範疇。
GaN助力 磁共振充電功率/距離再提升
GaN元件不僅是在高功率應用領域能有所發揮,更能在無線充電領域大顯身手。由於GaN功率元件具備高開關速度、切換損失等性能優勢,持續為電力電子應用打開更多可能性。其中,基於氮化鎵技術的磁共振(Magnetic Resonance, MR)無線充電,將能使得50W以上無線充電功能更快實現。
交通大學電機工程學系系主任陳科宏(圖3)表示,由於氮化鎵功率元件能夠達到非常快的開關速度,因此也能近一步縮小零組件尺寸與整體體積。氮化鎵材料在中功率至高功率的電源相關應用上皆有很好的效果,在未來10年,氮化鎵功率元件的興起將改變消費者的電子產品使用行為,也將影響相關供應鏈的廠商生態。
圖3 交通大學電機工程學系系主任陳科宏表示,在未來10年氮化鎵功率元件將改變消費者的電子產品使用行為。
陳科宏表示,若無線充電功率要提升至50W以上,基於GaN的磁共振便是目前最佳的解決方案。由AirFuel主導的磁共振無線充電技術,相對於磁感應技術能夠提供更高功率電力,並且能夠同時為多台設備供電。儘管目前依然少見導入磁共振無線充電技術的商用產品,然而該技術依然持續有所進展。
基於GaN的共振式無線充電傳輸系統發射端能夠一次發出70W電力,已能夠滿足筆記型電腦的充電需求;而手機大約能夠接收10W~15W電力,因此,最遠傳輸距離可達30公分,若在5公分距離之內則可以達到快速充電標準。
陳科宏進一步說明,未來基於GaN的共振式無線充電傳輸系統也將會持續提升充電效率、拉長充電距離,並且擴充應用範圍;更將持續以提升方便性以及縮小元件體積為主要的未來演進方向。
另一方面,GaN功率元件不只能使用在共振式無線充電設備,隨著氮化鎵的應用研究增加,成本也正在逐漸壓低,預計在2020年就能看到大量產品開始使用氮化鎵材料。
6~200W設備共用Tx AirFuel MR搶消費市場
AirFuel聯盟將持續以磁共振(Magnetic Resonance, MR)無線充電技術為武器進攻消費型產品市場,並以更高的設備擺放自由度為重要優勢,更要支援一個充電器同時為5~200W的終端裝置充電。
在2017年蘋果(Apple)將WPC Qi規格的磁感應(Magnetic Induction, MI)無線充電技術導入iPhone之後,終端使用者對於手機的無線充電功能使用已非常熟悉。AirFuel無線充電聯盟主席Sanjay Gupta認為,目前使用者已經認識到了磁感應的無線充電技術,意味著市場現已進入無線充電1.0時代,然而該技術最大的缺點在於必須將設備毫無偏差地瞄準充電器,並不符合消費者對於無線充電功能的期待。在未來,無線充電市場勢必會持續往設備擺放自由度更高的無線充電2.0發展。
隨著AR/VR、物聯網(IoT)等等應用持續發展,相關終端設備數量亦持續提升,進而使得無線充電市場持續擴大。Gupta說明,在未來無線充電功能的發展方向勢必為朝著消費者的需求發展。這些需求包含:多設備同時充電、更高設備擺放自由度、更高充電效率、更高功率設備充電以及更低的開發成本。
若要提升無線充電Tx與Rx的距離,提升設備擺放自由度,進入無線充電2.0時代,可以透過磁共振與RF兩種技術。Gupta指出,目前該二技術皆已經成熟,零組件成本也已經下降至消費型產品可以負荷的範圍之中,市場上隨時可以看見相關的終端產品出貨。
一個Tx可以同時為多個Rx充電是磁共振無線充電技術的重要優勢。然而不僅如此,Gupta也提到,AirFuel的重要目標之一,便是讓5W、60W、200W的設備同時通過一個充電器一起充電。此功能也將成為與磁感應聯盟競爭時的重要優勢。
MicroLED顯示器2023年挑戰2.5億裝置搭載
MicroLED顯示器被視為顯示器明日之星,近年有許多廠商投入開發,就在技術瓶頸逐漸克服之際,產業研究機構Yole Développement表示,2019年MicroLED將走上量產之路,預計小量出貨搭載在610萬個裝置上,2021年以後成長逐漸加速,裝置搭載量將突破5000萬,2022年正式破億,2023年將挑戰2.5億裝置搭載量。
在應用部分,Yole認為,從2019年開始,MicroLED將從中小型顯示器開始發展,智慧手表與擴增實境(AR)、混合實境(MR)裝置是最早期的應用,接著將有平板電腦與高階電視導入,至於產業高度關注的智慧型手機,預計將從2021年開始導入MicroLED,並在2022與2023年加速,也是促成MicroLED出貨量起飛的關鍵,最終智慧型手機應該是MicroLED應用主流,也帶動其於2024年正式突破3億裝置搭載量。