採用ULV/ULP電路設計　智慧感測器實現輕薄/省電

雖然智慧裝置已隨處可見，但至今仍未有任何智慧感測器可以長時間運作達到數年以上甚至10年的壽命，一旦智慧感測器網路沒有被完整建立，智慧城市的實現將會窒礙難行。

為達成智慧城市的願景，第一步便是利用超低電壓(ULV)和超低功耗(ULP)的電路技術以降低智慧感測器節點耗電量，並借助能源擷取技術從環境中取得足夠的能源來維持系統持續不間斷的運作。

智慧感測器節點應具備低功耗特性並維持10年以上之電池操作壽命，並包括氣候、噪音、危險氣體、紫外線及衛星定位(GPS)等感測裝置，布建於任意移動式或固定式裝置，如汽機車、電線桿、道路或是建築物，透過無線傳輸互聯所有節點，建構成城市感測器網路。

打造低功耗感測系統　控制開關扮要角

智慧感測網路除了節點搭載的感測器資訊外，透過大規模的節點布建取得歷史與即時資料訊息，經由巨量資料運算後便可得到延伸的加值資訊，讓企業或是市民可透過電腦、智慧手機、智慧眼鏡或是其他智慧裝置從雲端服務取得相關資訊，以改善城市生活的效率(圖1)。

圖1　智慧感測器布建概念

感測器節點是由多種感測器、儲能電池、電源管理、感測處理晶片以及無線網路所構成，分析各元件的功耗組成才能優化並設計低功耗感測系統(圖2)。

圖2　智慧感測器節點之硬體系統架構

適用於輕薄感測器節點之感測器，通常使用特殊材料或是微機電系統(MEMS)以標籤形式(Tag)或晶片形式存在，而感測器本身通常無法有效且簡單的降低操作功耗，需要透過不同方式、架構或製程技術才可能改善感測器本身的功耗問題，故感測系統通常僅能透過控制開關機制來節省功耗，同時也是低功耗感測器裝置最大的挑戰及設計關鍵。

儲能電池大小往往決定系統的成本、重量及操作時間，更高密度的電池材料則需要非常長的時間去開發，所以為了符合基本操作的電池壽命，往往須要使用較大的電池容量而難以實現輕薄化。

但近年來隨著高效率能源擷取管理技術逐漸成熟，透過環境能源採集(Energy Harvesting)取得額外的能量，可以降低儲能電池容量，實現更輕薄感測器節點，除此之外還可以取得源源不絕的能量來補充系統操作所失去的電力。

無線網路通訊也是最大的耗電來源，伴隨越來越多的感測器資訊，將無可避免的提高無線資料傳輸的耗電量，但若能使用運算效率佳的處理器進行資料壓縮，可以大幅降低資料傳輸量，減少功率的消耗以達成節能的效果。

開源/節流並行　SFP整合三大節能技術

為了實現超過10年以上電池壽命的智慧感測器節點，必須要對能源的利用錙珠必較，且同時考慮開源與節流。「開源」即為取得額外的能源對系統裝置持續不斷的進行充電，最可行的方式便是透過光電、熱電或是壓電等產能材料，來進行環境能源採集與轉換儲存提供永續能源(圖3)，進而降低電池容量讓系統更輕巧。

圖3　源源不絕的能源技術總覽

「節流」即為透過電路設計及控制兩項技術讓系統運作消耗更低的電力，達到更長時間的運作。

針對環境能源採集技術，工研院開發出光電與熱電材料的能源管理技術，避免利用傳統高耗電的類比數位轉換器(ADC)以及高解析度數位脈衝處理器(DPWM)方法進行轉能，而是採用類比混合式最大功率點追蹤方法，利用不同電壓創造不同電流大小，並以微小電容做積分來偵測輸出電壓斜率(VTD)，並透過低功耗高增益的比較器以及電荷幫浦(CP)產生脈衝寬度調變計算最大功率點位置，以發揮光電與熱電材料的最大輸出功率。

此外，透過直流對直流升壓轉換器，可容易實現單體太陽能板或使用熱電材料於2度溫差下可進行轉能並儲存於電池內，整個最大功率追蹤演算法在600毫伏特(mV)下即可正常運作並消耗390奈安培(nA)電流，能源追蹤效率更可達最高99.6%之性能，並實現小型化晶片封裝(SOT-5)(圖4)。

圖4　能源擷取技術之電路架構

超低電壓超低功耗(ULV/ULP)電路設計技術早在2008年就被開始研究並發展，其概念可分為以近臨界區(Sub-threshold Region)的條件進行類比電路設計，在此區域設計的電路雖然伴隨許多不可預期之問題與設計難度增加，但可大幅的降低電路消耗。

由於此技術已臻於成熟，因此大部分的電路都可被設計於近臨界區，且電壓範圍在600毫伏特?2伏特的操作模式，大幅降低類比電路功耗及提高電壓操作可靠性。

數位邏輯以及記憶體部分，工研院已於2013年成功開發專屬低電壓480毫伏特數位元件庫，以及超低電壓260毫伏特靜態隨機存取記憶體(SRAM)技術，可用於極低電壓運作節省操作功耗。

更重要的是，2012年極致低功耗技術問世後，除了結合超低電壓/超低功率設計技術外，更針對類比電路技術開發出近漏電流電路設計技術(NLCP)，實現僅需300毫伏特及2奈瓦(nW)功耗，以40SPS速度運作6位元解析度之ADC。

NLCP設計概念是將半導體的金屬氧化物場效電晶體(MOSFET)元件閘極，操作在幾乎為0伏特或是0伏特情況下運作，與近臨界區操作模式有極大設計差異，此操作情況下接近半導體的物理耗電極限，但在此區域設計的電路具有非常多的條件限制以及極大的製程不穩定變數，須要持續研究並克服。

最後在能源控制器技術上，智慧感測處理器(SFP)之概念架構除了整合極致低功耗技術外，也針對控制方法做進一步的探討。

此架構採用幾乎不耗電的NLCP技術進行事件感測以喚醒整個感測器系統，ULV/ULP技術設計可重組式類比前端電路(R-AFE)，電壓可適化技術(AVS)之處理器可於更寬電壓操作並有效率地進行訊號處理，最後透過動態電壓頻率調整(DVFS)控制器以控制最佳操作及功率，設計成非常具有能源效率之感測處理器(圖5)。

圖5　超低功耗感測晶片架構圖

SFP具三大能源控制優勢

比較SFP之控制操作模式與傳統控制操作模式，可突顯出三大能源控制優勢(圖6)。 首先，在偵測事件發生的耗電量上，傳統的感測電路需要一基本的操作功耗並且每隔一段時間就需要喚醒感測電路進行資料偵測或事件觸發，以便啟動處理器進行資料處理以及無線通訊。SFP控制由於採用NLCP感測技術，所以能在幾乎不耗電的情況下進行資料感測或事件觸發啟動處理器。

圖6　操作模式概念

第二，傳統處理器的操作功耗是以定頻率與定電壓方式運行，無論處理的資料多寡都具有差異不大的功耗。SFP控制模式，因採用ULV/ULP電路設計技術先天就比傳統操作模式具更低功耗，而透過DVFS以及AVS電路設計技術，可以達到在不同資料量下能源控制最佳化的狀態，大幅節省處理器功耗。

第三，當電池電壓過低時，傳統處理器將會當掉，並不斷的嘗試重新啟動，由於啟動功耗過大，額外收集的能量或剩下的電池能量並無法支撐而再度使處理器運作失敗而循環的重新嘗試啟動，直到獲取的能量足夠後才有辦法重新運行。

SFP控制模式可以與環境能源採集晶片進行通訊，並善用AVS以及DVFS技術，在低能源模式下，能以最低能源持續運行，雖然無法處理大量資訊但卻能確保系統可以持續運作，此運算的資料將被有效的壓縮儲存至記憶體，並等待能量足夠後才進行資料發送，提供可靠的資料收集。

工研院預計透過一項具備小型化且高性能的環境能源採集技術來開源，以及極致低功耗電路設計與SFP控制兩項技術技術實行節流，發展10年以上電池壽命的智慧感測器節點之硬體裝置。

當感測器網路具備後，下一步便是整合巨量資料分析以及雲端服務，讓處於各裝置間不斷的感測環境資料轉變成真正具有意義的資料，才能服務大眾。例如氣溫及雨感測器可以提供更詳細且精確的天氣資訊讓市民使用，創造更舒適的生活；而危險氣體感測器，可即時監控瓦斯和一氧化碳等氣體，提早做出警訊預防災害；更可以利用水質感測去分析是否有汙染源，確保生物以及市民的健康。

智慧感測系統結合低功耗軟體技術以及巨資雲端軟體技術，才能讓現有城市走向高效率的智慧城市，以解決城市人口越來越密集所衍生之問題。

(本文作者皆任職於工研院資通所)