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無電池電源設計突破 推進人工智慧物聯網

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陽明交通大學電子研究所教授兼所長陳柏宏在「無電池微型裝置電源設計關鍵」演講中指出,採用無電池電源設計,人工智慧物聯網才能無遠弗屆。DIGITIMES攝
陽明交通大學電子研究所教授兼所長陳柏宏在「無電池微型裝置電源設計關鍵」演講中指出,採用無電池電源設計,人工智慧物聯網才能無遠弗屆。DIGITIMES攝

人工智慧物聯網(AIoT)為近年的新興議題,拜5G平台崛起所賜,龐大資料的上傳及下載可在瞬間完成,使得人工智慧物聯網的發展更加迅速。然而,物聯網的佈建無遠弗屆、無所不在,如何為物聯網上的各種裝置供給所需能量?這是業界的大哉問。

尤其是全球物聯網裝置數量至2020年已成長達500億個,挑戰更形嚴峻,想想若是採用一般電池供電,為這些裝置更換電池得花上多少時間?更遑論裝置若是位於山之巔、海之涯,換電池是如何之難。因此,在某些情境之下,無電池設計是一必然趨勢,也能進一步擴大應用層面。

陽明交通大學電子研究所陳柏宏團隊開發的全自動偵測輸入電壓源技術,可以讓無電池設計的能量擷取來源不只一個,透過自動偵測技術,可以快速判斷輸入源。DIGITIMES攝

陽明交通大學電子研究所陳柏宏團隊開發的全自動偵測輸入電壓源技術,可以讓無電池設計的能量擷取來源不只一個,透過自動偵測技術,可以快速判斷輸入源。DIGITIMES攝

從環境中擷取能源,電源管理挑戰多

為了達成無電池設計,近十年業界嘗試了光、熱、震動、射頻等方式,採用相對應的傳感器,可將這些環境能源傳換成電能,然而這些供電方式並不穩定,容易受環境影響,且電壓時高時低,所以必須仰賴電源管理IC進行有效管理並提供穩定的電壓給物聯網裝置,例如穿戴式裝置、遠端醫療裝置等。

整體來說,無電池微型裝置電源設計的挑戰在於:首先,電壓普遍偏低,大部分小於0.8伏,而且可以擷取的功率很少,約100微瓦(microwatt),因此控制電路本身功耗必須在10微瓦以下,也就是說,必須設計出低電壓、低功耗的控制電路,才能符合無電池微型裝置的需求。其次,由於電力十分有限,因此希望能從傳感器擷取更多能量。

其三,系統需在無電池的狀態下啟動。最後,每一個傳感器都有使用限制,可能需要光、振動及或RF等,因此若能設計出結合多來源的擷取電路,將可大大提升應用情境。陽明交通大學電子研究所教授兼所長陳柏宏團隊所研發的電源管理IC,充分符合上述四項要求。

動態偵測能量來源,自動切換

視應用的不同,電池的組合搭配可以非常多樣,可以是兩種或是三種供電技術的組合。例如,有些大功率輸出應用仍需使用一般電池,因此在設計上可結合一般電池及太陽能電池,採用複合形式。若是想實現完全無電池設計,也可採用太陽能做為主電源,溫度差發電做為輔助電源,或是其他組合的設計方式。

針對如此多元的電源組合,電源管理IC必須更有智慧。不同於以手動方式切換的方式,陳柏宏及其團隊開發的全自動偵測輸入電壓源技術,能夠以動態偵測方式,迅速判斷能量擷取來源輸入及輸出,且能達到高效能。

此一電源管理技術的突破,使得物聯網裝置能自動切換從不同的來源擷取能量,且將多餘的能量儲存在電容中,對於人工智慧物聯網的普及將是一大助力。