#物聯網IoT #環境感測器 #半導體製程 #金屬有機框架MOF #石墨烯Graphene #氮化鎵GaN #奈米碳管SWNT #3D列印 #環境光源感測器ALS #能源採集EnergyHarvesting #EnOcean

【感測器的硬技術】

隨著物聯網 (IoT) 環境的成熟，可與智慧型手機或電腦連接的微型化感測器亦水漲船高。在各種感測器中，電化學因其高靈敏度、快速反應和使用壽命長而具有特殊優勢，但找到可增強標的物的電極材料是挑戰所在。因應微型化需求，感測晶片開始嘗試能兼容多種奈米材料與不同半導體、有機／無機導體的電路，製程亦出現重大演進。相較於傳統矽 (Si) 或氮化鎵 (GaN) 製程，電子印刷更便於製作軟性電路和異質結構，且成本僅需 1/10、乃至 1/100。

除了化學感測器進展神速，物理層面最受矚目的當屬「飛時」(ToF) 雷射感測了，更適用於 1 公里內的近距感測。蘋果 iPhone X 已為 3D 感測打響名號，但內建紅外線測距和光感測器的螢幕「瀏海」設計，卻也因容易遮住應用程式 (APP) 而為人詬病。藉由光波來回時間與光速推算精確距離的 ToF，可補足紅外線精度低、方向性差，有顏色辨識及易受環境光源干擾的缺點；且模組較小，在電路板有限的行動裝置較具優勢。

此外，能源採集 (Energy Harvesting) 搭配充電式電池與超級電容，將太陽能、機械能或射頻能量轉化成電能，已成新興供電途徑。世界首個符合「超低功耗無線通訊」ISO / IEC 國際標準規範的 EnOcean，可收集自然界的微小能量、借助開開動作將動能轉換為電能，免去邊緣節點 (edge node) 更換電池或充電維護的不便，迄今歐美已約有 40 萬棟建築物建置。中國重慶大學亦新研發出由風力驅動、可監測風速和溫度的無線感測器。

麻省理工學院 (MIT) 則藉環境溫度變化開發「熱諧振器」，可從稀薄空氣中採集環境熱能，不須依賴陽光照射、在陰涼處亦可工作。不過，此類「就地取材」的環境能源並非隨時可得，必須善加珍惜使用；此時，感測器的工作模式及參數設定格外重要。另一個須留意的問題是：即使設有超級電容，但它可能因為過度自放電，而浪費辛苦採集到的能量。如何提高轉換效率、盡可能降低晶片本身功耗、極小化啟動電壓並妥善管理採集進來的能量是關鍵所在。

延伸閱讀：
《材料、製程、供電大躍進 感測技術一日千里》
http://compotechasia.com/a/____//2018/0415/38544.html
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#Milara #全自動膠印系統NanoOPS #意法半導體ST #FlightSense #VL53L0 #VL53L1X #亞德諾ADI #ADP5090/5091/5092 #羅姆Rohm #恩智浦NXP

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#電源設計 #氮化鎵GaN #寬能隙半導體 #可編程邏輯閘陣列FPGA #功率因數校正PFC

【GaN 是如何提升電力效率和密度的？】

如何提高電力效率和密度的解決辦法是目前業界的當務之急之一。效率的提升不僅有利於節省電力和冷卻等主要運作成本，還能幫助營運商增加機架密度和可用的運算空間，並以更具成本效益的方式滿足日益增長的需求。氮化鎵 (GaN) 寬能隙裝置的出現成就了新一代的功率轉換設計；這些設計是以前仰賴矽金屬氧化物半導體場效應電晶體 (MOSFET) 所不可能實現的。這些設計使系統能達到前所未有的高功率密度和效率。

基於 GaN 的解決方案可以從交流電源到各個負載點 (POL) 被含納至整個資料中心的電源供應當中。GaN 還實現了諸如高壓直流分配系統的新架構。電力公司需要透過功率因數校正 (PFC) 階段來將電網效率進行最佳化。PFC 的功能如同升壓轉換器，其通常提供 380V 的直流輸出電壓。該電壓需要進一步被降低，以便為系統提供直流匯流排電源。各種拓撲結構在這一階段被採用，但「電感—電感—電容器」(LLC) 和相移全橋通常用於產生 12V 或 48V 的匯流排電壓。

該匯流排電壓通過整個系統佈線，並進行多個轉換步驟，為處理器、可編程邏輯閘陣列 (FPGA)、記憶體和儲存系統之類的各種 POL 供電。基於 GaN 的解決方案從交流電到處理器根本性地改變了整個電力系統的架構和密度。

★PFC：透過圖騰柱拓撲的啟用，像是整合式的 GaN 裝置能將有功功率開關和濾波電感器的數量減少 50%。相較於今天鈦級電源 96% 的效率，開關頻率——連續導通模式 (CCM) 或臨界導電模式 (CRM) 操作，在將整體效率提高到 99% 以上的同時，能顯著減小磁性材料的尺寸。

★LLC：DC/DC 階段利用 GaN 優越的開關特性將諧振轉換器推送到 1 MHz 以上。高頻在提高功率密度和效率的同時，降低了磁性。較小的形狀係數使得新興的高壓配電系統能夠在 380V 至 48V 轉換器的資料中心內得以被使用。

★POL DC/DC：GaN 對這些轉換器有著重大影響。首先，它可從 48V 起進行單步轉換，直接為處理器、記憶體和其他負載供電，在版上配置減少 75% 的同時，從而將在珍貴的印刷電路板 (PCB) 基板面上的零組件數量減少達 50%。其次，使用半橋電流雙拓撲結構使設計人員能夠輕鬆地堆疊功率級，以滿足不同的負載需求，並與負載緊密配合，實現最佳的瞬態效能。

如今，GaN 已不再被視為是一種未來技術。GaN 已開始幫助設計人員實現過去曾遙不可及的目標：設計出更小、開關速度更快、散熱效能更佳的創新電源系統。

延伸閱讀：
《透過 GaN 重新計算密度》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2017/0714/36021.html
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#德州儀器TI #LMG3410 #LMG5200

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#電源設計 #可攜式裝置電池 #同步升降壓轉換器 #低壓差線性穩壓器LDO #單端主電感轉換器SEPIC #最大功率點控制MPPC

【告別多個電源轉換器！升壓、降壓同步讓系統電壓更穩定】

由於存在非理想或多個輸入電源、暫態干擾及儲存元件充放電，DC/DC 轉換器的輸入電壓往往在寬廣的範圍內產生變化，升降壓 DC/DC 轉換器是電源設計者用來因應此類變化的最有用工具之一。單一電感、同相升降壓轉換器可無縫降低或升高輸入電壓並調節輸出電壓——無論輸入高於、等於或低於輸出時，升降壓轉換器都能彈性因應，可代替兩個 IC (一個單獨的降壓轉換器或一個低壓差線性穩壓器 LDO，加上一個升壓轉換器)，進而大幅度延長可攜式系統的電池壽命，亦可節省印刷電路板 (PCB) 上佔用的空間／面積。

在多個潛在電源的情況下，升降壓轉換器會依電源不同，在完全降壓或升壓模式下運行；但在電源備份應用中，儲存元件放電的放電電壓曲線橫跨所需要的固定輸出，升降壓轉換器將採兩種模式操作。除了消費性產品外，不同應用電源配置的輸入／輸出電壓範圍變化都很大；例如，標準工業電源匯流排電壓為 24V 或 12V。大多數系統都需要多個良好穩定的電源軌供電，較低電壓的電源軌一般由降壓穩壓器或 LDO 供電；不過，若是為感測器和類比元件 (運算放大器、電動機或收發器) 供電，就需要「穩定的」電源軌。

取決於電源匯流排狀態或系統組態，很多這些系統既需要降壓轉換、又需要升壓轉換；升降壓轉換器能彈性運用各種輸入電源運行，將設計中所需的電源轉換器數量和物料清單中的數目降至最低。在汽車應用中，12V 汽車電池是所有電子系統的主電源；但標稱 12V 在冷啟動時可能降至 3V、在拋載時可能上升至近 40V (受到暫態電壓抑制器的限制)，這種環境對電子產品造成嚴酷考驗。很多內部系統都會遇到 24V 雙倍的電池電壓 (例如拖車快速啟動時)。這些極端電壓情況及引擎罩內可能出現的極端高溫，都要求使用堅固可靠的電子系統。

因此，採用「升降壓轉換器」產生系統電壓是審慎作法。航空／軍用環境也可能藉不同電池配置和太陽能電池板運行，故電源亦須因應非常寬廣的輸入電壓範圍；另有些應用要求接受多種不同輸入源，以便任何能源都可自動為系統供電，這類系統一般還要求寬廣的工作溫度。長久以來，既需降壓、又需升壓運行的設計一直是透過多個電源轉換器實現；儘管也能使用 SEPIC (單端主電感轉換器) 等可替代性拓撲、設計上亦較簡單，但效率比同步升降壓轉換器約低 10%，且需兩個電感和一個大電流耦合電容，將提高複雜性和潛在雜訊並縮短電池壽命。

延伸閱讀：
《以新型超低 IQ 升降壓轉換器超越傳統供電方案》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2017/0713/36006.html
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