驅動AIoT應用發展　新思維解電源設計舊挑戰

在5G服務涵蓋範圍越來越大的情況下，人工智慧跟物聯網結合運用的案例變得越來越常見，同時，由於5G無線電的特性，要實現完善的網路涵蓋，需要使用大量的小型基地台來組網。

從電源系統的設計來說，不管是AIoT還是5G設備，挑戰都一樣。因為設備小型化，裡面所使用的處理器性能卻更高，整體耗電量很難降低，因此電源系統必須在更小的空間內，提供至少相同水準的功率輸出。而且，也因為應用產品的尺寸縮小，系統設計者對電源雜訊干擾的容忍度，變得比以前更低。

因此，未來的電源系統除了必須追求更高的功率密度，EMI防治的對策也必須做得更完善。這對設計人員來說，是不小的技術挑戰。

數位方案為電源添智慧

隨著時代的進步，各類型電器需求的電能大幅增加，為持續提升電源轉換效率，許多電源設計從類比轉為數位化控制，為了因應馬達控制與數位電源市場對更高效能微控制器需求，意法半導體(STMicroelectronics)延續STM32微控制器推出STM32G4系列，以硬體加速器提高運算速度，提升電源轉換效率，實現對開關電源電路的穩定控制。

在數位電源轉換器中微控制器(MCU)，可擁有高效類比周邊，產生高精度脈寬調製(PWM)訊號，可進一步提升效率、減少功耗和執行複雜的拓撲結構設計。意法半導體亞太區技術行銷經理張世昌(圖1)表示，STM32G4比上一代整合更多的類比功能與新的硬體數學運算加速器，來達成更高應用處理速度，滿足高階數位電源處理裝置的需求。

STM32G4利用Cordic算法和濾波函數等技術，滿足數位電源應用需求。例如，在家電或空調中所採用的節能馬達控制演算法中之三角函數計算，以及訊號調節或數位電源控制演算法中的濾波演算法，運算速度相較通用主處理器更快，且效率更高。此外，張世昌提到，透過Filter Math ACcelerator (FMAC)運算，可讓CPU釋放更多資源，去接收更多感測器資料和其他功能。

除此之外，張世昌指出，STM32G4擁有高度安全管理系統，像是SBSFU安全啟動，即每次使用應用程式前，均會檢查代碼的真實性和完整性，避免惡意程式運行，達到現今所需的資安防護需求。

頻譜儀讓EMI無所遁形　

電磁干擾(EMI)測試目的在於檢驗電器產品所產生的電磁輻射對人體、電網以及其他電器產品的影響。對電源設計工程師而言，EMI防治是一個老生常談，但又總是如影隨形的技術挑戰。

普源精電(RIGOL)技術市場協理潘光平(圖2)說明，為避免EMI影響其他設備正常運作，許多國家都有訂定EMI相關規範，其中最常見的便是由國際電磁波干擾委員會制訂的CISPR標準。

倘若在測試過程中發現EMI問題，工程師該如何進行電路除錯？潘光平歸納四種解決方案，其一如共模電感解決方案(Common Choke Solution)，可將EMI電流導入電感線圈，使它產生反向電流，進而壓制EMI效應；第二由於電磁場無法穿透金屬物質，因此可在元件周遭包圍金屬塊，或將系統包覆金屬殼，利用金屬屏蔽效應作為次要解決方案；此外也可使用接地效應，將雜訊電流導入大地，減少雜訊產生；最後，如果上述方案皆無法解決，則需要進行電路的重新布線。

EMI測試架構可大致分成兩個部分，包含傳導測試以及輻射測試，以30MHz作為區分標準，30MHz以上至1GHz，稱為輻射測試範圍，所需工具包含頻譜分析、近場探棒等；150KHz至30MHz則屬於傳導測試，由於頻率相對較低，因此需要頻譜分析儀和線型阻抗穩定網路等量測工具。

GaN電源晶片突飛猛進

對電源設計而言，提高功率密度是另一個開發者追求的永恆目標。但由於矽材料可提供的性能已逼近物理極限，業界必須尋找新的替代材料，才能實現功率密度更高的電源設計。這使得氮化鎵(GaN)等第三代半導體材料，在電源晶片領域廣受矚目。

宜普電源(EPC)應用工程副理張志豪(圖3)指出，基於GaN材料的開關元件具有操作頻率更高、導通阻抗更低的優勢，因此，採用這類元件所設計出的電源，除了主晶片的尺寸更小，周邊的電容、電感尺寸也可以明顯縮小許多。因此，GaN開關元件的可靠度問題獲得解決，實現商品化後，在短短幾年內，就已經廣泛出現在各種電源應用產品上，例如行動裝置的快速充電器、馬達驅動器等。

值得注意的是，由於GaN元件的操作頻率更高，使得GaN在一些非傳統電源應用上，找到切入的機會。例如需要以極高頻率打出脈衝訊號的光達(LiDAR)，或是更廣義的飛時測距(ToF)應用，就需要操作頻率更高的電源。倘若電源的開關頻率太慢，會造成光達發出的訊號波形失真，進而降低其解析度。